超聲波流量計自適應雙門(mén)限觸發(fā)法研究

超聲波流量計具有不擾亂流場(chǎng)、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓力損失、測量精度高、性能穩定可靠及測量范圍寬等特點(diǎn)，廣泛應用于流體流量的測量。超聲波流量計按測量原理分為時(shí)差法、多普勒效應法、相關(guān)法及波普偏移法等，其中時(shí)差法應用最廣泛。時(shí)差法超聲流量計的關(guān)鍵在于精確地測量超聲波在流體中順逆流傳播的時(shí)間差。在實(shí)際的超聲波流量計中，發(fā)射信號一般是信噪比較高的方波，計時(shí)開(kāi)始時(shí)刻容易確定；而接收信號時(shí)，由于超聲換能器的諧振特性并且超聲傳播過(guò)程中存在衰減和噪聲干擾，精確判斷接收信號的到達時(shí)刻比較困難，從而制約著(zhù)測量精度的提高。

雙門(mén)限電平觸發(fā)法是一種確定信號到達時(shí)刻的檢測方法。雙門(mén)限電平觸發(fā)原理概括為“前沿檢測與特征點(diǎn)觸發(fā)定時(shí)”。在原理上，雙門(mén)限電平觸發(fā)法既消除了噪聲電平的影響，也消除了相位誤差。但是，在實(shí)際應用時(shí)雙門(mén)限電平觸發(fā)法還存在著(zhù)不足之處。由于衰減作用和流動(dòng)噪聲的干擾，特別是在進(jìn)行氣體流量測量時(shí)，接收信號的幅值波動(dòng)很大，雖然使用自動(dòng)增益控制電路（AGC）可有效地壓縮信號幅值的波動(dòng)范圍，使信號基本保持穩定，但是因為接收信號的包絡(luò )發(fā)生較大變化，而門(mén)限電平為固定電壓值，很易發(fā)生誤觸發(fā)。因此筆者提出一種測量接收信號的實(shí)際幅值對觸發(fā)電平進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法———自適應雙門(mén)限觸發(fā)法。

1 方法原理

圖1為雙門(mén)限電平觸發(fā)法示意圖。該方法預先設定一個(gè)觸發(fā)電平，當接收信號幅值達到此電平時(shí)給出觸發(fā)允許，當信號到達特征點(diǎn)時(shí)，作為信號的到達時(shí)刻。圖1中的特征點(diǎn)選為觸發(fā)點(diǎn)之后的第一負過(guò)零點(diǎn)。超聲傳播通道的衰減作用和噪聲干擾通常會(huì )造成超聲信號形狀畸變，故特征點(diǎn)一般選擇那些被認為不易受波形變化影響的位置，如過(guò)零點(diǎn)或峰值點(diǎn)等，這樣可以避免因為信號幅值變化而引入相位誤差。圖1中發(fā)射信號為脈沖信號，接收信號為棗核形包絡(luò )的一簇正弦波信號，雙門(mén)限法的第一門(mén)限為觸發(fā)電平，作用是消除噪聲電平的影響。第二門(mén)限為過(guò)零電平，與接收信號進(jìn)行比較，起到過(guò)零檢測的作用，可以有效地消除相位誤差，提高傳播時(shí)間測量的準確性。

圖1 雙門(mén)限電平觸發(fā)法

自適應雙門(mén)限觸發(fā)法是跟隨接收信號包絡(luò )變化實(shí)時(shí)改變觸發(fā)電平的方法，可減少錯波現象的發(fā)生。自適應雙門(mén)限觸發(fā)法的關(guān)鍵是準確計算適當的觸發(fā)電平。采用在兩個(gè)連續峰值之間取值的方法來(lái)計算觸發(fā)電平。這兩個(gè)連續峰值的選取基于以下兩個(gè)原則：能夠更有效地消除噪聲電平的影響；兩個(gè)峰值之間有較大電壓差值，并且在包絡(luò )發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)峰值電壓的幅度相對穩定。通過(guò)進(jìn)行大量實(shí)驗發(fā)現，在所檢測到的正弦波簇中，第二個(gè)和第三個(gè)峰值滿(mǎn)足條件。所以，首先需要測量這兩個(gè)峰值（目標峰值），然后才能通過(guò)計算得到適當的觸發(fā)電平。

在設計中，使用峰值保持電路對信號進(jìn)行峰值保持，同時(shí)對峰值信號進(jìn)行高速AD采樣，然后在單片機中對數據進(jìn)行處理，得到目標峰值電壓。有兩種峰值保持電路，一種電路允許接收信號全部通過(guò)，稱(chēng)為峰值保持電路1。接收信號經(jīng)過(guò)此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò )頂點(diǎn)前的全部峰值信號，如圖2所示。在發(fā)射激勵脈沖信號后，開(kāi)始對峰值保持電路1的信號進(jìn)行高速AD采樣，能夠獲得正弦波簇中最大峰值前的每個(gè)峰值的電壓值，即圖2中的Ua₀～U_a7。另一種電路控制接收信號部分通過(guò)，稱(chēng)為峰值保持電路2。接收信號經(jīng)過(guò)此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò )最大值前的部分峰值信號，如圖3所示。在設計中，此電路使用了3個(gè)，分別用來(lái)保持接收信號中的連續3個(gè)峰值。在接收信號通過(guò)之后，對3個(gè)峰值保持電路2的信號依次進(jìn)行AD采樣，能夠分別獲得觸發(fā)電平后3個(gè)峰值的電壓值，即3中的U_b1、U_b2、U_b3。

圖2 峰值保持電路1的信號

a．U_b1為觸發(fā)電平后的峰值信號

b．U_b2為觸發(fā)電平后的峰值信號

c．U_b3為觸發(fā)電平后的峰值信號

圖3 峰值保持電路2的信號

在雙門(mén)限觸發(fā)法中，峰值保持電路采用的只是峰值保持電路1。這種方法在自適應雙門(mén)限觸發(fā)法的使用中存在缺點(diǎn)，當圖2中正弦波簇中的正弦波數量發(fā)生變化或者包絡(luò )最大值附近峰值幅度產(chǎn)生飽和時(shí)，在對信號進(jìn)行高速AD采樣得到的數據中準確找到目標峰值比較困難。因此，為了在峰值保持電路1的信號采樣得到的數據中找到目標峰值，增加了3路峰值保持電路2作為判斷依據。

每次接收信號經(jīng)過(guò)3路峰值保持電路2，能夠獲得圖3中峰值U_b1、U_b2、U_b3對應的3個(gè)電壓值，同時(shí)，峰值保持電路1的信號中也包含這3個(gè)值。U_b1、U_b2、U_b3能夠為在峰值保持電路1的信號中找到目標峰值提供判斷依據。把U_b1、U_b2、U_b3對應的電壓值與峰值保持電路1的信號高速AD采樣得到的數值進(jìn)行比對，就能在其中找到對應的數值，其中圖3中的峰值U_b1、U_b2、U_b3即對應圖2中目標峰值2的電壓值U_a3、U_a4、U_a5，繼而在峰值保持電路1的信號AD采樣值中往前遞推找到目標峰值1對應的電壓值U_a2，這樣就找到了這兩個(gè)目標峰值U_a2和U_a3。

找到兩個(gè)目標峰值，通過(guò)加權平均法計算出觸發(fā)電平，轉化為對應的數字電位器控制碼，控制數字電位器的阻值，根據電阻分壓的原理，對下一次測量時(shí)接收信號到來(lái)前的觸發(fā)電平進(jìn)行調整，使其始終保持在兩個(gè)目標峰值之間。

2 設計實(shí)現

超聲流量計測量系統主要包括微處理器模塊（MSP430F249）、計時(shí)模塊（TDC-GP21）、脈沖發(fā)射與切換模塊、接收切換與信號處理模塊、液晶顯示及存儲器等外圍模塊，其結構如圖4所示。計時(shí)模塊所采用的高分辨率測時(shí)芯片TDC-GP21，測量精度可達22ps，保證了時(shí)間測量的精度要求。

圖4 超聲波流量計測量系統整體構架

自適應雙門(mén)限觸發(fā)法的實(shí)現流程如圖5所示。通過(guò)脈沖發(fā)射與切換模塊輪流對換能器A和B發(fā)射激勵脈沖信號。

圖5 自適應雙門(mén)限觸發(fā)法的實(shí)現流程

接收切換與信號處理模塊一方面負責將發(fā)射脈沖信號進(jìn)行降幅，使其通過(guò)接收電路，經(jīng)過(guò)邏輯處理后得到觸發(fā)計時(shí)器開(kāi)始工作的計時(shí)開(kāi)始信號，另一方面負責輪流切換接收換能器A、B產(chǎn)生的接收信號，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波、自增益控制得到峰峰值V_pp穩定為約3V的信號。此信號經(jīng)過(guò)門(mén)限觸發(fā)、過(guò)零比較和邏輯處理得到觸發(fā)計時(shí)器停止工作的計時(shí)停止信號。峰值檢波模塊工作流程如圖6所示，接收信號同時(shí)經(jīng)過(guò)峰值保持電路1和2，對兩路峰值信號分別進(jìn)行AD采樣。單次測量完成后，在單片機內對采集到的數據進(jìn)行處理，找到目標峰值，計算出適當的觸發(fā)電平，轉換為相應的數字電位器碼值。在下一次測量信號到來(lái)前，控制數字電位器，調整阻值，改變觸發(fā)電平。

圖6 峰值檢波模塊工作流程

為了保證程序穩定運行，在程序中限制觸發(fā)電平的變化范圍，并且加入判錯波程序。限制觸發(fā)電平的范圍，可以在流速很大、信號變化很快的條件下時(shí)，保證觸發(fā)電平的位置在可控范圍內，防止程序失控。判錯波程序的思想是通過(guò)對門(mén)限電壓值和傳播時(shí)間值進(jìn)行分析，因為流速變化宏觀(guān)上是連續、穩定的，所以通過(guò)分析，可以對偏差大的錯誤值進(jìn)行剔除。加入判錯波程序可以保證程序正確運行，保證流量準確測量。

3 實(shí)驗過(guò)程和結果

筆者使用可調壓中壓濕氣流量測量裝置進(jìn)行實(shí)驗，該裝置由羅茨風(fēng)機供氣，精確度為1%，流量范圍為10～280m3/h。在管道中串聯(lián)接入標準表和研發(fā)的DN50mm氣超聲流量表。標準表選用DN100mm渦輪流量計，標定流速范圍為2～36m/s。流量計的各項測量數據見(jiàn)表1、2。其中，表1為使用常規雙門(mén)限電平觸發(fā)法所測量的數據，表2為使用自適應雙門(mén)限觸發(fā)法所測量的數據。表中誤差的計算方法為：表中誤差=（被校     表流量/標準表流量-1）×100。

表1 雙門(mén)限電平觸發(fā)法實(shí)驗數據

表2 自適應雙門(mén)限觸發(fā)法實(shí)驗數據

對比兩表數據發(fā)現，使用自適應雙門(mén)限觸發(fā)法，流量計的測量精度基本達到±1%，重復性0.2%。該方法可以有效地解決因為包絡(luò )幅值發(fā)生變化造成錯波的問(wèn)題。

4 結束語(yǔ)

針對錯波問(wèn)題，對雙門(mén)限電平觸發(fā)法進(jìn)行改進(jìn)，提出了自適應雙門(mén)限觸發(fā)法。詳細闡述了自適應雙門(mén)限觸發(fā)法的原理、具體實(shí)現和實(shí)驗結果。設計了峰值保持電路和自動(dòng)增益控制電路，通過(guò)兩者配合動(dòng)態(tài)確定比較電路的觸發(fā)閾值，并給出基于峰值判斷的錯波修正方法，提高了測量精度。實(shí)驗結果表明自適應雙門(mén)限觸發(fā)法能夠有效地解決信號包絡(luò )發(fā)生變化造成易錯波的問(wèn)題。