基于脈沖群相關法的時差式超聲波流量計
摘要：針對時差式超聲波流量計在實際工業現場的環境下會出現精度不高 ，抗干擾能力弱的情況 ，提出了一種基于脈沖群相關法的時差式超聲波流量計設計方案。以 TDC 計時芯片的高精度計時為基礎，運用脈沖群相關法提高超聲波流量計的精度和穩定性，同時采用包絡線自診斷的方法解決了波形畸變負面影響的問題，增強了時差式超聲波流量計的抗干擾能力。 通過在 MATLAB 上進行仿真，以及在超聲波流量計實驗平臺上進行實際測量，結果驗證了方案的可行性。
Abstract:The methodology for designing the ultrasonic flowmeter based on pulse cluster correlation and time difference is proposed．The accuracy and the stability of the ultrasonic flowmeter are improved,with the TDC timing chip in high preci-sion and the methodology of pulse cluster correlation employed．Simultaneously,the problem about the negative effect of waveform distortion is solved by means of the self－diagnostic methodology of the envelope curve,and the anti－interference ability of the ultrasonic flowmeter based on time difference is enhanced．
Keywords:ultrasonic flowmeter,methodology of pulse cluster correlation,self－diagnosis of envelope curve
為了更好地解決超聲波流量計在工業應用中的難題， 本文借鑒了電平比較法和互相關法各自的優勢， 創造性地提出了脈沖群相關法。 脈沖群相關法由于采用高精度計時芯片計時［6］，其計時精度可以達到幾十 ps 級別，同時脈沖群相關法的使用還使其具有很高的穩定性，計算也較為簡單，實時性強。 在此基礎上，增加包絡線自診斷方法， 彌補了脈沖群相關法不能克服嚴重波形畸變影響這一缺點， 這就使得時差式超聲波流量儀表在工業環境應用中也能保持高精度、高穩定性、高抗干擾能力，對于工業生產具有重大的意義。
1、脈沖群相關法原理：
脈沖群相關法的測量原理是用一個適當的閾值信號來截取超聲回波信號， 這樣就能得到一組占空比由小到大再由大到小的一組脈沖序列，然后利用精度能夠達到幾十 ps 級別的高精度的 TDC 計時芯片準確將脈沖序列中各個脈沖時間點測量并采集下來，如圖 1 所示。
圖 1 脈沖群獲取示意圖
其中 t1 至 t6 表示閾值截取回波的時間點。 這實際上也是將超聲回波信號極性化的過程［7］。 假設閾值為 c，那么得到 x0（t）和x1（t）的符號函數為：
| sgn［X0 | （t）］＝ ≥1，X0 | （t）≥c | （1） | |||
| 0，X | 0 | （t）＜c | ||||
| sgn［X1 | （t）］＝ ≥1，X1 | （t）≥c | （2） | |||
| 0，X | 1 | （t）＜c | ||||
| 離散的極性數字相關函數為［5］： | ||||||
| T | ||||||
| RsgnX0 sgnX1 （τ）＝ | 1 | 乙0sgn［X0 （t－τ）］sgn［X1 （t）］dt | （3） | |||
| T | ||||||
（τ）的峰值點即可確定 x0（t）
和 x1（t）的時間差 τ 的值，***后通過圖 2 所示的模型以及公式(4)算得流量。
| 圖 2 | 超聲波流量計工作原理圖 |
| 2 | 2 | |||||
| Q＝Sν＝ | πD | ν＝ | πDc tgα | τ | （4） | |
| 4 | 8 | |||||
上式中，Q 為流量，S 為管道截面積，ν 為管道中水實際流速，D 為管道直徑，α 是換能器的連線與管道軸線的夾角，c 為聲速。
圖 3 超聲回波包絡線
圖 4 正常的超聲回波
圖 5 波形畸變的超聲回波
2、軟硬件系統設計：
下面將圍繞驗證所需的硬件與軟件系統展開設計與說明。
2．1、硬件架構圖：
圖 6 為系統的硬件架構圖。 系統主要由兩塊單片機控制，MCU （1） 控制的是 TDC 計時芯片進行渡越時間的計時，MCU（2）控制 AD 采樣模塊對回波進行 AD 采樣。 MCU（2）對波形采樣數值進行包絡線分析后，將分析結果送給 MCU（1），MCU（1）依據收到的分析結果對 TDC 計時數值進行修正或舍棄，***終算出流量值并顯示。
| 圖 6 | 硬件結構圖 |
圖 7 軟件流程圖
3、仿真及實驗結果：
3．1、仿真驗證本文借助 MATLAB 平臺， 主要驗證了脈沖群相關法的可行性。 圖 8 表示順逆流回波信號經過標準相關法后相關函數波形。圖 9 表示順逆流回波信號經過極性化后，通過脈沖群相關法所得的相關函數波形。 其中超聲波信號（1）表示順流回波信號，超聲波信號（2）表示逆流回波信號。 標準相關法和脈沖群相關法所得的波形的峰值重合，這就證明了脈沖群相關法的可行性。
3．2、實驗驗證：
| 圖 8 互相關法仿真圖 | 圖 9 極性相關函數仿真圖 |
如表 1 所示， 通過比較兩種測量方法在零點時候測量數據的方差， 可以發現脈沖群相關法的穩定性要優于基于閾值比較法的時差法的穩定性。
表 1 兩種方法測量值方差比較
如表 2 所示， 脈沖群相關法所測得的零點渡越時間差平均值為 55ps，與理想零點相比差值為在 100ps 以內，并且***大值與***小值之間的差值在 100ps 以內，誤差較小。
表 2 脈沖群相關法測量零點渡越時間差
4、結束語：
通過 TDC 計時芯片的級聯 （通過 MAX35101 級聯可以把測量的脈沖序列由 6 個擴展到 11 個）以及使用后續將要面世的更高性能的 TDC 計時芯片 （比如即將面世的 GP30 可以測量30 個脈沖序列）， 可以將測量精度以及穩定性提高到一個更高的水平，本系統性能還具有很大的提升空間。