基于脈沖序列法的時(shí)差法超聲波流量計設計

近幾年來(lái)，超聲波流量計由于其非接觸式，不受流體物理化學(xué)性質(zhì)影響的特點(diǎn)被廣泛應用。對時(shí)差式超聲波流量計而言，精確地測量超聲波傳播的時(shí)間是提高測量精度的關(guān)鍵，而在當前測時(shí)芯片精度已經(jīng)達到ps級別的基礎上，要提高測時(shí)精度的關(guān)鍵就在于準確判斷超聲波形到達的時(shí)刻。超聲信號的波形對準確判斷超聲波到達的時(shí)間點(diǎn)顯得尤為關(guān)鍵。因此本文提出一種新的方法來(lái)對超聲信號進(jìn)行處理判斷，以期更準確判斷超聲信號到達時(shí)間從而提高超聲波流量計測量精度。

1 測量原理

時(shí)差法是根據超聲波在流體中順流與逆流的傳播時(shí)間差與被測流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速的方法。其本質(zhì)是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動(dòng)的影響，在順流和逆流時(shí)測出的時(shí)間會(huì )不同，因此再根據測出時(shí)間的差值就可以計算出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。其原理圖如圖1所示：逆流換能器和順流換能器相對于管道軸線(xiàn)的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線(xiàn)距離為L(cháng)，流體流速V。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計工作原理

測量時(shí)，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發(fā)射超聲波端。超聲波的實(shí)際傳播速度c₀是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量νcosθ的和：

    （1）

此時(shí)，順逆流傳播時(shí)間為：

    （2）

由上式可得到順逆流時(shí)間差為：

    （3）

由于一般超聲流量計最大可測流速在10m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1500m/s，遠遠大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時(shí)間差為：

    （4）

相應的，流體流速流量公式可以表示如下：

    （5）

     （6）

由公式（5）可知超聲波順逆流傳播時(shí)間的測量精度直接影響到流速的測量精度和測量范圍。

2 脈沖序列法

脈沖序列法，它是在電平比較法的基礎上引申出來(lái)的一種信號處理方法，其示意圖如圖2所示。系統中選擇一個(gè)參考電平（閾值）對超聲信號進(jìn)行比較得到比較后的方波信號，測量方波信號的前六個(gè)上升沿和下降沿時(shí)間，也就是圖中的t1、t2、t3、t4、t5和t6，同時(shí)記錄得到的方波信號脈沖個(gè)數。得到這六個(gè)時(shí)間點(diǎn)和方波信號脈沖個(gè)數之后，就可以根據脈沖序列法的判斷標準來(lái)進(jìn)行分析，判斷超聲信號的質(zhì)量是否滿(mǎn)足計算流速流量的條件。

圖2 脈沖序列法示意圖

脈沖序列法主要是根據圖示中方波信號的脈沖序列的脈寬時(shí)間來(lái)進(jìn)行判斷，由于硬件電路測時(shí)的限制，這里只能測量前三個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間，考慮到脈寬時(shí)間基本滿(mǎn)足先增后減的規律，我們選取差距較大的第一個(gè)脈沖和第三個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間進(jìn)行判斷。這里我們選取的判斷準則是限定第三個(gè)脈沖脈寬時(shí)間和第一個(gè)脈沖脈寬時(shí)間的比值a在一定范圍內，那么關(guān)于這個(gè)范圍的選取就是這個(gè)方法的重點(diǎn)。由于這個(gè)比值與超聲信號的幅值和選取的參考電平大小都有一定關(guān)系，根據要求我們這里設定參考電平為1V，超聲信號的第一個(gè)周期峰值選在1.5V左右，而實(shí)際情況中難以精確保證信號第一個(gè)周期峰值在1.5V，因此可以設定峰值為1.3V到1.8V之間。

超聲波信號的包絡(luò )線(xiàn)為調幅載波的調制信號，其數學(xué)模型為指數衰減的高斯脈沖信號，確定函數后通過(guò)仿真獲得超聲信號第一個(gè)周期峰值分別為1.3V和1.8V的理論時(shí)間數值如表1所示：

表1 第一周期峰值與脈沖序列脈寬比值的關(guān)系

由表1數據顯示，我們看到時(shí)間數據都是ns級的，而計時(shí)芯片TDC－GP2的分辨率達到ps級，因此TDC－GP2能夠滿(mǎn)足測量時(shí)間的分辨率。但是理想超聲波形和實(shí)際接收的超聲波形的時(shí)間值還是會(huì )有一定的差距，因此我們對于脈寬時(shí)間的比值范圍選取適當擴大一點(diǎn)，這里暫時(shí)設定為：1.4≤△t3/△t1≤1.9。當然，具體的范圍可以根據現場(chǎng)情況再做調整。

在判斷好脈寬時(shí)間的比值在限定范圍后，我們還需要根據脈沖個(gè)數來(lái)判斷順逆流兩種情況下捕獲的相應時(shí)間點(diǎn)在同一個(gè)周期波形上，如果順逆流捕獲的時(shí)間不在同一個(gè)周期波形上，那么在計算順逆流傳播時(shí)間差時(shí)會(huì )存在一個(gè)或者多個(gè)周期的誤差。因此，我們需要判斷順逆流兩種情況下由參考電平比較過(guò)后的脈沖個(gè)數是相等的，由仿真圖形可以暫定脈沖個(gè)數在5～7個(gè)之間為正常。

3 實(shí)驗驗證

建立基于脈沖序列法時(shí)差法超聲波流量計系統后，在25mm管道上對其進(jìn)行實(shí)驗驗證。首先系統測量了脈沖序列法所需的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)數據用以檢驗脈沖序列法的效果，其測量數值如表2所示：

表2 脈沖序列法6個(gè)時(shí)間點(diǎn)數據

根據表2中給出的數據我們可以看到與其他數據相比第3組數據和第6組數據有較大的差異。其中第3組數據中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)相比其它幾組數據都大了1μs左右，這是因為它的第一個(gè)正向半波受到衰減導致其峰值小于系統設置的參考電平甚至衰減為零，因此采集到的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)比預計時(shí)間后延了一個(gè)周期。這種情況下它所產(chǎn)生的方波信號脈沖個(gè)數可能會(huì )不滿(mǎn)足條件，即使脈沖個(gè)數仍然在設定范圍內，但是順逆流兩次測量中如果只產(chǎn)生一次這種狀態(tài)，那么在判斷順逆流脈沖個(gè)數是否相等時(shí)也可以剔除這組數據，因此通過(guò)本論文提出的脈沖序列法進(jìn)行判斷可以去除這組數據給最終測量結果帶來(lái)的誤差。而第6組數據每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)都與其他組的數據有一些偏差，比較明顯的是前兩個(gè)數據差距較大，通過(guò)計算可以發(fā)現第一個(gè)脈沖脈寬時(shí)間大大減小，其數值為0.10313μs，而第一個(gè)脈沖與第三個(gè)脈沖脈寬時(shí)間的比值為3.64254，遠遠大于其他幾組數據的比值，明顯超出系統設定比值范圍，因此可以根據這個(gè)判斷準則剔除這組數據。

本文在驗證了脈沖序列法的效果之后，根據基于脈沖序列法的時(shí)差法超聲波流量計系統進(jìn)行了流量測量驗證。實(shí)驗采集了5個(gè)流速測量點(diǎn)進(jìn)行測量，在每一個(gè)測量點(diǎn)處進(jìn)行多次測量并將本系統設計的流量計測量結果與標準流量計測量結果進(jìn)行比較，得到數據如表3所示：

表3

由表3的數據可知，25mm口徑管道流速在0.2～4m/s范圍內精度都在1%左右，重復性在0.5%左右。根據GB/T778.1－1996標準可知口徑為25mm的管道常用流量為3.5m³/h，在該流量處測量精度和重復性均在0.6%左右，與市面上一些時(shí)差法超聲波液體流量計的精度和重復性相比有了一定的提升。

4 結束語(yǔ)

本文在傳統時(shí)差法超聲波流量計基礎上提出了一種新的方法，基于脈沖序列法的時(shí)差法超聲波流量計設計方案，并通過(guò)實(shí)驗驗證了該方法的可行性。