復雜流場中超聲波流量計信號處理方法
摘要：一般時差式超聲波流量計在測量環境較差的場合, 由于流場不穩和雜質干擾等原因, 超聲回波信號會出現幅值衰減的現象, 導致流量測量出現錯誤。針對以上問題, 提出了以“測檢結合”為核心思想的時差式超聲波流量測量方法。依靠閾值比較法獲得較高的渡越時間測量精度, 同時依靠包絡線相關法對波形質量進行判斷, 保證***終求得的流量的正確性。主要研究了回波信號的處理方法, 在搭建了實驗平臺的基礎上進行了實驗。實驗結果表明提出的方法具有較高的精度、穩定性和抗干擾能力同時計算相對簡單、價格較低的優點。
隨著IC技術的發展, 高精度計時芯片 (TDC) 逐漸普及, 閾值比較法時差法超聲波流量計在測量環境較好的場合, 能夠達到較高的精度, 應用效果較好, 比如說水表和熱表。但是在測量環境較差的場合, 由于流場不穩和雜質干擾等原因, 超聲回波信號會出現幅值衰減的現象, 導致流量測量出現錯誤。相關法超聲波流量計雖然能夠克服超聲回波信號幅值衰減導致流量測量錯誤的情況, 但是由于其存在計算復雜、價格高的缺點, 應用也存在問題。針對以上問題, 本文提出了以“測檢結合”為核心思想的時差式超聲波流量測量方法。依靠閾值比較法獲得較高的渡越時間測量精度, 同時依靠包絡線相關法對波形質量進行判斷, 保證***終求得的流量的正確性。本論文提出的方法, 能夠兼顧精度、穩定性和抗干擾能力同時計算相對簡單、價格較低[1,2]。
1、時差法超聲波流量計測量原理：
時差法超聲波流量計測量原理如圖1所示, D為管道內徑, v為流體流速, θ為換能器連線與管道中軸線的夾角。t1 (t2) 為超聲波從換能器A (B) 到換能器B (A) 的傳播時間。流體流速v的計算如式 (1) 。
圖1 時差法測量的原理示意圖
式 (1) 中, c為超聲波在流體中的傳播速度, △t=t2-t1。在已知c的情況下, 流速v的基本要求是準確測量出超聲波信號在管道中的順逆流傳播時間差△t。本文采用基于閾值比較法的高精度時間數字轉換芯片TDC進行傳播時間的測量, 其測量的基本原理如圖2。
圖2 閾值比較法時間測量示意圖
以激勵脈沖觸發換能器A產生超聲波信號作為計時的起點, 以換能器B接收的信號幅值高于閾值時刻為終點, 就可以測量出超聲波的傳播時間。閾值比較法測量順逆流信號時差的關鍵在于固定閾值Vth需截取到回波信號相同位置的波峰[3]。
2、系統硬件設計：
2.1、系統整體結構圖：
根據系統設計要求, 系統總體結構設計包括微處理器模塊, 驅動模塊、信號收發控制模塊、信號處理模塊、高精度計時模塊、AD采樣模塊、電源模塊和液晶顯示模塊幾部分組成。系統總體結構圖如圖3所示。
圖3 系統總體結構圖
圖3即為各個模塊之間的連接關系, 其中電源模塊為每個模塊供電, 包含±30 V、±5 V和+3.3 V。高精度計時模塊中, 其測量精度直接影響流量的計算, 因此本論文選擇的計時芯片為Maxim公司的MAX35101芯片, 其典型分辨率達到20 ps, 滿足本系統要求[4]。AD采樣模塊中, AD采樣速度影響采集到的波峰值與實際值之間的誤差, 因此本論文選擇ADI公司的AD9280芯片, 其采樣速度***高可以達到32 MHz, 滿足本系統要求。
2.2、信號處理電路的設計：
由于超聲回波信號幅值較小, 不能滿足后續高精度計時模塊的測量需求, 同時超聲回波信號在傳遞工程中也受到各種噪聲的干擾, 影響高精度計時模塊計時精度, 所以需要對模擬信號進行放大和濾波處理, 保證到達高精度計時模塊的超聲回波信號幅值可以滿足測量需求并且不會受到噪聲干擾[5]。
當接收到的信號包含的噪聲為主要矛盾, 噪聲幅度遠遠大于信號幅度, 則需要先進行濾波, 然后再放大。因為假設先對信號進行放大, 接收到的信號噪聲幅度較大, 放大器將輸出飽和, 導致信號被進一步削弱, 就算后繼濾波做得再好也已經沒有意義。
當接收到的信號和噪聲幅度都很小。這種情況下為了盡量多的保存信號的信息需要先進行放大, 再濾波。放大不會導致飽和輸出, ***大程度上保存了原始信號。假設先濾波再放大, 則可能在濾波過程引入其他微弱干擾同時可能使信號產生一定的畸變, 這就相當于加入了噪聲。這種情況需要先進行放大處理[6]。
考慮到本系統中噪聲信號小于超聲回波信號, 所以選用先放大后濾波的方案。信號處理模塊示意圖如圖4所示。
圖4 信號處理模塊示意圖
另外, 由于芯片允許的輸入模擬信號為0~2 V, 而經過超聲回波信號處理模塊處理后的超聲回波信號為峰峰值約為1 V的交流信號, 不能滿足條件, 所以要對超聲回波信號進行進一步處理。
本文選擇采集半波的方案, 即將超聲波信號放大到峰峰值接近4 V交流信號, 然后通過半波電路得到峰值2 V的超聲半波信號, 送入采樣芯片采樣。AD采樣模塊原理圖如圖5所示。
圖5 AD采樣模塊原理圖
進入放大電路的超聲回波信號是電容之前沒有抬升的超聲回波信號, 放大電路有兩路, 分別用來放大順流和逆流兩路超聲回波信號, 兩路放大電路參數相同。由于前面超聲回波信號處理電路的可控增益放大電路已經將超聲回波放大到峰峰值1 V了, 所以此處放大電路設定為增益固定, 放大四倍, 這樣就可以得到峰峰值4 V的超聲回波信號[7]。
3、實驗設計與驗證：
圖6 實驗管道與注射器
3.1、實驗裝置介紹：
本文實驗選擇浙江迪元儀表有限公司的超聲波流量計換能器, 50 mm口徑管道, 在零流速下進行實驗, 并且通過使用注射器向管道中打入氣泡使超聲回波信號產生幅值整體衰減, 來模擬實際測量過程中的干擾導致超聲回波幅值整體衰減的情況。通過在本文設計的系統上進行的觀測, 數據的采集、處理與分析, 實驗方案的驗證。圖6所示為實驗管道與注射器, 圖7所示為系統硬件平臺。
圖7 系統硬件平臺
3.2、基于AD采集的信號處理方法的驗證：
采集20組數據, 分別在不采用AD采集的包絡線相關法進行識別矯正和采用AD信號包絡線相關法進行識別矯正兩種情況下計算渡越時間差, 觀察包絡線相關法對于錯波現象的識別矯正成功率。如表1即為測量數據。
表1 基于AD信號采集的成功率實驗數據對比
由表1可以看出, 在20次測量中, 出現8次“錯波”現象, 使用包絡線相關法能夠將8次“錯波”情況全部檢測出來, 并且依據包絡線相關法校正后的數據符合實際情況。由此可以得出, 包絡線相關法對于“錯波”情況檢測的成功率較高, 依據基于AD采集的信號處理和包絡線相關法的結論對渡越時間差數據進行修正的可靠性較高。