基于電壓調幅的超聲波流量計研究

 

        0 引言

    超聲波由機械振動(dòng)產(chǎn)生，其特點(diǎn)包括振動(dòng)頻率高、波長(cháng)短、定向傳播、穿透能力強。超聲波流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)時(shí)對超聲束的作用以測量體積流量的一種儀表，時(shí)差法流量計是其中一種，是通過(guò)測量超聲波信號在氣體中順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)求取流速，是一種非常理想的節能流量計。

    流體流動(dòng)的狀態(tài)不一定是理想的，所以要想提高流量計的測量精度就需要提高對數據檢測的精確性以消除非穩態(tài)的影響。隨著(zhù)高速集成芯片和模擬開(kāi)關(guān)等硬件的引入，系統可以實(shí)現對過(guò)零點(diǎn)的準確檢測標記，整個(gè)檢測過(guò)程的精度由計時(shí)芯片和采樣芯片決定。隨著(zhù)DSP和A/D采樣在超聲檢測里的應用以及過(guò)零點(diǎn)曲線(xiàn)擬合的方法的使用，可以盡量提高數據處理精度。但通常要獲得越精確的波形數據，需要的ADC 位數越高，而這與采樣率的指標存在矛盾，如果完全依靠數字化后的波形判定渡越時(shí)間，兼顧采樣精度和速率存在一定的難度。

    本研究設計一種超聲波氣體流量計調幅式激勵電路和回波電路，在數字化判定波形特征點(diǎn)后，結合模擬電路進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)位置判定，可以在保證時(shí)間計量精度的同時(shí)維持較低的采樣速率要求。

    1 超聲波流量計的工作原理

    時(shí)差法超聲波流量計表體內超聲波聲道近似一條直線(xiàn)，工作區截面如圖1所示。

圖1 表體截面圖

    在流體通過(guò)的管道上安裝有AB兩個(gè)成夾角θ（圖中的θ值為45°）的超聲波換能器，設流體測量聲道截面的平均線(xiàn)速度為V，管道直徑為D，兩個(gè)換能器之間的直線(xiàn)距離為L(cháng)，超聲波在靜止的流體中的速度為C。一束超聲波脈沖穿過(guò)流體傳播：

    V=0，t1=L/C    （1）

    A到B即順流時(shí)超聲波傳播時(shí)間為：

    t2=L/（C+Vcosθ）    （2）

    B到A即逆流時(shí)超聲波傳播時(shí)間為：

    t3=L/（C-Vcosθ）      （3）

    實(shí)驗測得流體順流和逆流時(shí)數據，根據式（2，3）可以得到不同情況下聲道截面上的平均線(xiàn)速度V。

    公式中L、C和θ均為已知，只要求得準確的t2和t3就能得到準確的數據。所以確保流量計精度的關(guān)鍵就在于對渡越時(shí)間的準確采樣和處理。

    2 激勵電路和信號接收電路

    2.1 超聲波激勵電路的設計

    傳統的超聲波激勵方式一般采用一定占空比的方波給激勵換能器，本研究采用了一種調幅激勵脈沖的方法。利用CMOS模擬開(kāi)關(guān)CD4052，對外接的幾個(gè)電壓信號源信號進(jìn)行選通。為避免通道切換瞬間電流過(guò)大，輸入端接限流電阻R1~R3。通過(guò)調節外接電壓可以調節激勵強度，電路如圖2所示。

圖2 換能器激勵電路

    換能器選型為L(cháng)HQ200-3，其工作中心頻率為200kHz±4%，激勵脈沖波形中心頻率應與換能器工作頻率一致，通過(guò)對引腳AB的控制，可以實(shí)現電壓通道切換，生成需要的波形。激勵波形在示波器中觀(guān)察的結果如圖3所示。

圖3 激勵脈沖波形圖

    前10個(gè)周期為5V小電壓，然后2個(gè)周期的24V大電壓，最后為2個(gè)周期24V電壓壓制，相鄰兩個(gè)激勵波形時(shí)間間隔約為2ms，防止發(fā)射波形間隔過(guò)短產(chǎn)生相鄰信號相互激振。

    CD4052為CMOS模擬開(kāi)關(guān)，芯片供電電壓VCC設為24V，而DSP控制芯片發(fā)出的控制信號太小則無(wú)法滿(mǎn)足控制要求，放大到高電平0.7VCC以上才能有效控制CD4052。

    2.2 超聲波接收電路的設計

    超聲波接收電路的作用是將接收換能器收到的小信號進(jìn)行充分放大濾波后變成足夠大的信號。經(jīng)過(guò)管道內的傳播，接收換能器接收到的波形變得非常微弱，只有幾毫伏到幾十毫伏，所以接收信號必須進(jìn)行放大濾波處理。超聲波頻率較高，所以要求放大芯片要有足夠的頻帶寬度，電路設計為兩級NE5534放大。它是一款單路低噪音高速雙電源供電放大器如圖4所示。圖4中電路的放大倍數由輸入輸出電阻決定，放大倍數為400倍左右，可以使最大電壓放大到合適的范圍。

圖4 接收放大電路

    采樣前，本研究設計了一個(gè)π型低通濾波器做抗混疊濾波處理，通過(guò)觀(guān)察示波器可以看到對波形毛刺等干擾具有一定的壓制作用。

    3 實(shí)驗數據分析

    不同風(fēng)量下?lián)Q能器接收信號的處理后波形如圖5所示。

（a）無(wú)風(fēng)速時(shí)的接收波形

（b）風(fēng)量為207m³/h時(shí)順流接收波形

圖5 放大后信號采樣波形

    無(wú)風(fēng)速時(shí)的接收波形如圖5（a）所示，風(fēng)量為207m³/h時(shí)順流接收波形如圖5（b）所示，CH2觸發(fā)信號作為基準。每個(gè)接收波形均存在一個(gè)前后波峰大小增值最大點(diǎn)，該點(diǎn)位置基本穩定在波形的第12個(gè)波峰，如圖5所示，隨著(zhù)風(fēng)量的增大，該波峰的位置（與觸發(fā)波形下降沿的時(shí)間差t）會(huì )發(fā)生變動(dòng)，變動(dòng)量較小且與流體的速度密切相關(guān)。通過(guò)與發(fā)射波形對比得出，這是激勵電壓中第2個(gè)24V電壓激勵結果，通過(guò)該波峰后第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)的位置檢測結果可以得到不同風(fēng)速下順流和逆流的渡越時(shí)間差，在后續A/D轉換中該點(diǎn)是計時(shí)結束時(shí)刻。處理過(guò)程中對過(guò)零點(diǎn)曲線(xiàn)擬合后可以得到更精確的過(guò)零點(diǎn)信息，通過(guò)中值濾波處理可以有效減小不穩定流速引起的偏差。根據公式（2，3）計算得到的V為傳播聲道線(xiàn)上的平均速度，需要修正才能得到管道截面的平均速度VM=V/K，流量修正系數K=（2n+1）/2n，流體的雷諾系數為104時(shí)，n取6.5，處理結果如表1所示，基準流量來(lái)自0.5級渦輪流量計。

    測量誤差包括示值誤差和引用誤差等，儀表的測量精度由引用誤差表示，示值誤差為測量值與真值之差值，引用誤差為測量值絕對誤差與儀表的滿(mǎn)量程值之比。滿(mǎn)量程測量值取最大風(fēng)量時(shí)VM，誤差分析表如表2所示。

表1 數據處理表

表2 誤差分析表

    根據表2中結果可知測得的平均流速與實(shí)際偏差不大，測量引用誤差保持在1.5%以?xún)�，可以滿(mǎn)足測量要求。一次采集過(guò)程為2ms，采集時(shí)間為800μs，剩余時(shí)間分配給數據處理和數據顯示。針對后續數據，只需要對過(guò)零點(diǎn)位置的采樣就可以滿(mǎn)足測量效果，這樣可以有效地解決A/D采樣中采樣精度和效率不能兼顧的問(wèn)題。

    4 結束語(yǔ)

    該實(shí)驗設計了基于電壓調幅的方法，具有較容易實(shí)現且后續數據采樣處理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。標定實(shí)驗結果表明，該方法在一般流場(chǎng)下具有很好的測量精度，但同時(shí)也具有調幅方法共有的抗干擾能力差這個(gè)缺點(diǎn)。在工業(yè)環(huán)境中儀表會(huì )受到周?chē)�的很多干擾，會(huì )給測量結果帶來(lái)很大的誤差，所以需要在抗干擾方面采取合適的措施，效果還需要在后續研究中驗證。