提高超聲波流量計量精度的方法

1 引言

超聲波流量檢測技術(shù)根據被測流體對超聲波傳播速度產(chǎn)生調制來(lái)實(shí)現流速測量。近年來(lái)隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)、大規模數字電路的應用以及新型超聲換能器的出現，促使超聲波流量檢測技術(shù)取得了長(cháng)足進(jìn)步。與傳統的流量計相比超聲波流量計解決了大管徑、大流量及各類(lèi)明渠、暗渠液體流量測量困難的問(wèn)題，同時(shí)，可以測量包括：液體、氣體，甚至對雙相介質(zhì)在內的液體流量，對測量介質(zhì)無(wú)要求。且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢，所以它正在逐漸取代機械式的流量計。但超聲波用于小口徑流量測量時(shí)，由于超聲波穿過(guò)被測液體的時(shí)間很短，有用的測量信號容易被雜波所淹沒(méi)，從而影響流量的測量精度。針對小口徑超聲波流量檢測的上述問(wèn)題，通過(guò)硬件電路設計和軟件算法的改進(jìn)，較好的解決了測量精度問(wèn)題。

2 超聲波流量計換能器的驅動(dòng)和信號處理

超聲波流量計檢測方法主要有：時(shí)差法、多普勒效應法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，時(shí)差法超聲波流量是依靠在超聲波信號傳播到介質(zhì)當中后，在流動(dòng)的介質(zhì)里會(huì )帶有介質(zhì)流速信息，依靠超聲波接收傳感器把帶有流速信息的超聲波回波信號接收到電路板中，進(jìn)行一系列的信號處理之后就會(huì )得到被測介質(zhì)的流速或者流量。

（1）時(shí)差法超聲波流量計的工作原理

時(shí)差法計量的關(guān)鍵是要能夠獲得高精度的時(shí)間測量參數，近幾年來(lái)，隨著(zhù)高速時(shí)間計數處理芯片不斷出現，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這對于時(shí)差法用于小口徑超聲波流量計提供了計量保證。圖1是時(shí)差法超聲波流量測量法的基本原理圖。

圖1 超聲波流量測量原理

兩個(gè)超聲波探頭A和B既可以發(fā)射又可以接收，當探頭A發(fā)射，B接收時(shí)，超聲波就在流體中順流傳播，其速度就要加快，測量出順流時(shí)間；反之逆流傳播時(shí)超聲波的速度就會(huì )減慢。

時(shí)差法中順流傳播時(shí)間t₁為：

逆流傳播時(shí)間t₂為：

順逆流時(shí)間差Δt為：

可得：

其中，C為超聲波在液體中的聲速；L為兩個(gè)換能器之間的距離；V為管道中心軸方向的平均流速；θ為超聲波進(jìn)入液體的入射角；τ為超聲波在液體傳播以外的附加時(shí)間。

（2）超聲波換能器的驅動(dòng)控制

在超聲波流量測量時(shí)，首先要對換能器進(jìn)行驅動(dòng)，激勵換能器產(chǎn)生振蕩并發(fā)出超聲波信號，以下是分別采用1個(gè)驅動(dòng)脈沖、10個(gè)驅動(dòng)脈沖和15個(gè)驅動(dòng)脈沖作為換能器的激勵源，圖2是1個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形�？梢钥闯�，當一個(gè)脈沖驅動(dòng)時(shí)，所接收到的波形比較微弱，波形很不規范。圖3是10個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。波形形狀得到明顯改善。圖4是15個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。

圖2 1個(gè)驅動(dòng)脈沖接收波

圖3 10個(gè)脈沖接收波形

圖4 15個(gè)脈沖接收波形

由上面幾個(gè)圖可以看出15個(gè)脈沖時(shí)換能器器接收波形是比較規范的正弦波，幅值較大，GP2最多能發(fā)出15個(gè)驅動(dòng)脈沖，因此選用驅動(dòng)脈沖為15個(gè)。

3 換能器接收信號的獲取

當發(fā)射端的超聲波換能器發(fā)出的聲波經(jīng)過(guò)液體傳至與其相對的接收端換能器時(shí)，由于各種環(huán)境復雜的工業(yè)現場(chǎng)噪聲，以及流體介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒和氣泡等產(chǎn)生的干擾，特別是來(lái)自外界的電磁干擾等，使接收信號的幅值衰減很大同時(shí)伴隨著(zhù)各種干擾信號，因此如何從這種接收信號中獲得可靠的STOP信號成為信號處理的重點(diǎn)內容。下面就探討幾種針對超聲接收信號的獲取STOP信號的方法。

（1）過(guò)零檢測

理論上超聲波信號的傳播時(shí)間是接收信號到達時(shí)刻確定的，只需要將接收波形的第一個(gè)零點(diǎn)選為停止信號即可。由圖4可以看出超聲波接收信號起振點(diǎn)處幅值較小且不穩定，容易被干擾信號掩蓋造成誤觸發(fā)，使測量結果發(fā)生錯誤。

（2）閾值比較法

由測量的原理可以看出流量測量最終需要的是順逆流時(shí)差，所以在測量過(guò)程中需要的不一定是接收信號的起振點(diǎn)，只需找到某個(gè)固定的點(diǎn)作為STOP。因此可以采用閾值法，閾值如圖實(shí)線(xiàn)所示。由圖4可以看到，換能器接收信號比較微弱，只有幾百毫伏，容易受到換能器起振，氣泡等因素的干擾使幅值發(fā)生變化，如圖5所示，假設在同一流速下，順流測量時(shí)，過(guò)閾值比較，在STOP1出得到停止信號，逆流測量時(shí)，出現虛線(xiàn)所示的情況，第二個(gè)的波形己經(jīng)不能產(chǎn)生STOP信號，此時(shí)第二個(gè)過(guò)閾值的點(diǎn)（STOP2）便引起了誤觸發(fā)，出現此種情況所測得的時(shí)間差就增加了一個(gè)周期即為一微秒，測量出錯。導致流量測量出現偏差。

圖5 閾值比較法

采用此種方法的硬件電路如圖6所示。

采用LMV7239高速電壓比較器，單電源供電，輸入正端接入放大之后的接收信號，負端把5V電壓經(jīng)過(guò)4.7K和2K電阻分壓，得到過(guò)1.5V電壓，輸入信號和1.5V電壓進(jìn)行比較，大于1.5V輸出正，小于1.5V輸出零。

圖6 閾值比較法電路

采用此種方法測得的時(shí)差如圖7所示，

圖7 閾值比較測得時(shí)差

由上圖可以看出采用此種方法時(shí)差變化范圍較大，上限時(shí)差達到0.012微秒，下限到0.004微秒，很難對時(shí)差做出準確的判斷，導致流量測量的精度很低。

在靜態(tài)時(shí)，測得的順逆流時(shí)差理論上為零，用閾值法可能出現下圖所示情況，順流時(shí)信號為實(shí)線(xiàn)所示，STOP1為停止信號，當逆流時(shí)受到各種信號的干擾，會(huì )出現波形如圖虛線(xiàn)所示，致使STOP2成為停止信號，信號點(diǎn)發(fā)生漂移，造成靜態(tài)偏差。

圖8 閾值比較法跟過(guò)零比較相結合

（3）閾值比較跟過(guò)零比較相結合

由大量的實(shí)驗和測量原理可以得出，接收信號的頻率為換能器的固有頻率，即為1MHZ，所以干擾信號或者幅值變化不會(huì )對零點(diǎn)產(chǎn)生影響，利用這一特點(diǎn)，可以把過(guò)某一個(gè)閾值之后的零點(diǎn)當做停止信號，可以減小測量的誤差（如上圖所示3點(diǎn)）提高流量計的計量精度。硬件原理圖如圖9所示：

圖9 閾值比較法跟過(guò)零比較結合電路

采用MAX912雙通道，高速，低功耗比較器，可單雙電源供電，MAX912提供一個(gè)TTL兼容的鎖存功能，擁有比較器輸出狀態(tài)。只要鎖存啟用為高電平或懸空時(shí)，輸入信號對輸出狀態(tài)沒(méi)有影響。鎖存啟用為低電平時(shí)，控制輸出電壓和輸入差分鎖存器是透明的。輸入信號進(jìn)入通道1的正輸入端，當大于設定的閾值后，輸出高電平，鎖存器會(huì )對這個(gè)高電平進(jìn)行鎖存。同時(shí)進(jìn)入通道2的負輸入端，當大于零時(shí)輸出負，小于零時(shí)輸出正，通道1和通道2的輸出經(jīng)過(guò)74LS08輸出停止信號，這樣就得到了如圖8所示的3點(diǎn)。

圖10 閾值比較法跟過(guò)零比較結合測得的時(shí)差

通過(guò)圖10可以看出，閾值比較和過(guò)零比較相結合比直接過(guò)閾值比較得到的時(shí)差穩定，波動(dòng)范圍較小，跟過(guò)零比較和過(guò)閾值比較相比，可以很好地提高測量精度。

由圖10和圖7以及圖11的對比，可以明顯看出圖10閾值比較跟過(guò)零比較的優(yōu)勢，所以在本文硬件選用此方法進(jìn)行設計。但是，如圖10所示，某些測量點(diǎn)顯示的時(shí)差超過(guò)了0.1微秒，下限超過(guò)了0.06微秒，這些也會(huì )影響測量結果.因此，還需要軟件來(lái)提高測量精度。

圖11 過(guò)零比較

4 軟件提供測量精度

超聲波接收信號在放大和濾波處理過(guò)程中，受電源雜波和電磁干擾的影響，存在的雜波，導致測量的時(shí)間差數據存在噪聲和偶爾的尖峰，小波去噪方法采用了多分辨率的方法，可以非常好地刻畫(huà)信號的非平穩特征，如邊緣、尖峰、斷點(diǎn)等。

含噪聲的一維信號模型可表示為：

式中：f（t）為真實(shí)信號，相對比較平穩，s（t）為含噪信號；通常為低頻信號；e（t）為噪聲，為噪聲標準偏差，通常表現為高頻信號；ξ為噪聲水平�？梢园凑找韵虏襟E進(jìn)行小波濾波箅法處理：

1）對含噪信號進(jìn)行預處理。并進(jìn)行小波分解。選擇一個(gè)小波并確定小波分解的層次N，然后對信號進(jìn)行N層小波分解。

2）小波分解高頻系數的閾值量化。對第1到第N層的高頻系數進(jìn)行量化處理；

3）一維小波的重構。根據小波分解的第N層低頻系數和第1層到第N層的高頻系數，進(jìn)行一維重構。

利用小波對含噪的原始信號分解后，含噪部分主要集中在高頻小波系數中，并且，包含有用信號的小波系數幅值較大，但數目少；而噪聲對應的小波系數幅值小，數目較多。因此可以應用門(mén)限閾值法對小波系數進(jìn)行處理。（即對較小的小波系數置為0，較大的保留或削弱），然后對信號重構即可達到消噪的目的。閾值函數分為軟閾值和硬閾值兩種，軟閾值（softthresholding）原理是當小波系數的絕對值大于等于給定的閾值時(shí)，令其值為減去閾值；而小于時(shí)，令其為0。

選取閾值，對信號進(jìn)行處理。GP2芯片具備的使能窗功能，通過(guò)設置GP2屏蔽窗，可以很好地選擇性接收和屏蔽脈沖信號，只讓有用的信號通過(guò)停止引腳。針對不同的情況開(kāi)窗，可以更加有效地屏蔽干擾脈沖，提高測量精度。

小波濾波跟使能窗相結合可以很好地對噪聲進(jìn)行處理。處理后的波形如下圖所示：

圖12 軟件處理后的數據

跟圖10相比較可以看出波形變得相對平滑，時(shí)間差集中在0.008微妙附近，沒(méi)有很大的毛刺，濾波效果比較明顯。

5 結論

針對超聲波流量計在小流量、小口徑的流量計量中，存在測量精度低、測量精度不穩定的問(wèn)題，在研究和分析時(shí)差法超聲波流量測量原理和特點(diǎn)的基礎上，進(jìn)行了硬件的設計，并對各種停止信號的獲取方法在流量計試驗臺上進(jìn)行了實(shí)際的流量計量實(shí)驗，通過(guò)對實(shí)驗結果的分析可以看出采用過(guò)閾值比較跟過(guò)零比較的方法明顯比其他的兩種方法效果要好，可以很好地提高測量的精度。另外，采用開(kāi)窗的方法可以對干擾進(jìn)行屏蔽，有效地提高了測量的準確度。為下一步軟件中利用溫度補償提高測量精度提供了基礎。