超聲波流量計自適應雙門限觸發法研究

劉澤忠 徐 英 張 濤

(1.天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072)

超聲波流量計具有不擾亂流場、無可動部件、無壓力損失、測量精度高、性能穩定可靠及測量范圍寬等特點，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差法、多普勒效應法、相關法及波普偏移法等，其中時差法應用最廣泛。時差法超聲流量計的關鍵在于精確地測量超聲波在流體中順逆流傳播的時間差[1]。在實際的超聲波流量計中，發射信號一般是信噪比較高的方波，計時開始時刻容易確定；而接收信號時，由于超聲換能器的諧振特性并且超聲傳播過程中存在衰減和噪聲干擾，精確判斷接收信號的到達時刻比較困難，從而制約著測量精度的提高。

雙門限電平觸發法是一種確定信號到達時刻的檢測方法。雙門限電平觸發原理概括為“前沿檢測與特征點觸發定時”。在原理上，雙門限電平觸發法既消除了噪聲電平的影響，也消除了相位誤差。但是，在實際應用時雙門限電平觸發法還存在著不足之處。由于衰減作用和流動噪聲的干擾，特別是在進行氣體流量測量時，接收信號的幅值波動很大，雖然使用自動增益控制電路(AGC)[2]可有效地壓縮信號幅值的波動范圍，使信號基本保持穩定，但是因為接收信號的包絡發生較大變化，而門限電平為固定電壓值，很易發生誤觸發。因此筆者提出一種測量接收信號的實際幅值對觸發電平進行實時控制的方法——自適應雙門限觸發法。

圖1為雙門限電平觸發法示意圖。該方法預先設定一個觸發電平，當接收信號幅值達到此電平時給出觸發允許，當信號到達特征點時，作為信號的到達時刻。圖1中的特征點選為觸發點之后的第一負過零點。超聲傳播通道的衰減作用和噪聲干擾通常會造成超聲信號形狀畸變，故特征點一般選擇那些被認為不易受波形變化影響的位置，如過零點或峰值點等，這樣可以避免因為信號幅值變化而引入相位誤差。圖1中發射信號為脈沖信號，接收信號為棗核形包絡的一簇正弦波信號，雙門限法的第一門限為觸發電平，作用是消除噪聲電平的影響[3]。第二門限為過零電平，與接收信號進行比較，起到過零檢測的作用，可以有效地消除相位誤差，提高傳播時間測量的準確性。

圖1 雙門限電平觸發法

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

在設計中，使用峰值保持電路對信號進行峰值保持，同時對峰值信號進行高速AD采樣，然后在單片機中對數據進行處理，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，稱為峰值保持電路1。接收信號經過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡頂點前的全部峰值信號，如圖2所示。在發射激勵脈沖信號后，開始對峰值保持電路1的信號進行高速AD采樣，能夠獲得正弦波簇中最大峰值前的每個峰值的電壓值，即圖2中的Ua0～Ua7。另一種電路控制接收信號部分通過，稱為峰值保持電路2。接收信號經過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡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，分別用來保持接收信號中的連續3個峰值。在接收信號通過之后，對3個峰值保持電路2的信號依次進行AD采樣，能夠分別獲得觸發電平后3個峰值的電壓值，即3中的Ub1、Ub2、Ub3。

圖2 峰值保持電路1的信號

a. Ub1為觸發電平后的峰值信號

b. Ub2為觸發電平后的峰值信號

c. Ub3為觸發電平后的峰值信號

在雙門限觸發法中，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限觸發法的使用中存在缺點，當圖2中正弦波簇中的正弦波數量發生變化或者包絡最大值附近峰值幅度產生飽和時，在對信號進行高速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。

每次接收信號經過3路峰值保持電路2，能夠獲得圖3中峰值Ub1、Ub2、Ub3對應的3個電壓值，同時，峰值保持電路1的信號中也包含這3個值。Ub1、Ub2、Ub3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Ub1、Ub2、Ub3對應的電壓值與峰值保持電路1的信號高速AD采樣得到的數值進行比對，就能在其中找到對應的數值，其中圖3中的峰值Ub1、Ub2、Ub3即對應圖2中目標峰值2的電壓值Ua3、Ua4、Ua5，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Ua2，這樣就找到了這兩個目標峰值Ua2和Ua3。

找到兩個目標峰值，通過加權平均法計算出觸發電平，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，對下一次測量時接收信號到來前的觸發電平進行調整，使其始終保持在兩個目標峰值之間。

2 設計實現

超聲流量計測量系統主要包括微處理器模塊(MSP430F249)、計時模塊(TDC-GP21)、脈沖發射與切換模塊、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。計時模塊所采用的高分辨率測時芯片TDC-GP21，測量精度可達22ps，保證了時間測量的精度要求。

圖4 超聲波流量計測量系統整體構架

自適應雙門限觸發法的實現流程如圖5所示。通過脈沖發射與切換模塊輪流對換能器A和B發射激勵脈沖信號。

接收切換與信號處理模塊一方面負責將發射脈沖信號進行降幅，使其通過接收電路，經過邏輯處理后得到觸發計時器開始工作的計時開始信號，另一方面負責輪流切換接收換能器A、B產生的接收信號，然后經過放大、濾波、自增益控制得到峰峰值Vpp穩定為約3V的信號。此信號經過門限觸發、過零比較和邏輯處理得到觸發計時器停止工作的計時停止信號。峰值檢波模塊工作流程如圖6所示，接收信號同時經過峰值保持電路1和2，對兩路峰值信號分別進行AD采樣。單次測量完成后，在單片機內對采集到的數據進行處理，找到目標峰值，計算出適當的觸發電平，轉換為相應的數字電位器碼值。在下一次測量信號到來前，控制數字電位器，調整阻值，改變觸發電平。

圖5 自適應雙門限觸發法的實現流程

圖6 峰值檢波模塊工作流程

為了保證程序穩定運行，在程序中限制觸發電平的變化范圍，并且加入判錯波程序。限制觸發電平的范圍，可以在流速很大、信號變化很快的條件下時，保證觸發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對門限電壓值和傳播時間值進行分析，因為流速變化宏觀上是連續、穩定的，所以通過分析，可以對偏差大的錯誤值進行剔除。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 實驗過程和結果

筆者使用可調壓中壓濕氣流量測量裝置進行實驗，該裝置由羅茨風機供氣，精確度為1%，流量范圍為10～280m3/h。在管道中串聯接入標準表和研發的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表1、2。其中，表1為使用常規雙門限電平觸發法所測量的數據，表2為使用自適應雙門限觸發法所測量的數據。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 雙門限電平觸發法實驗數據

表2 自適應雙門限觸發法實驗數據

對比兩表數據發現，使用自適應雙門限觸發法，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幅值發生變化造成錯波的問題。

4 結束語

針對錯波問題，對雙門限電平觸發法進行改進，提出了自適應雙門限觸發法。詳細闡述了自適應雙門限觸發法的原理、具體實現和實驗結果。設計了峰值保持電路和自動增益控制電路，通過兩者配合動態確定比較電路的觸發閾值，并給出基于峰值判斷的錯波修正方法，提高了測量精度。實驗結果表明自適應雙門限觸發法能夠有效地解

決信號包絡發生變化造成易錯波的問題。

[1] Kupnik M, Krasser E, Groschl M.Absolute Transit Time Detection for Ultrasonic Gas Flowmeters Based on Time and Phase Domain Characteristics[C].IEEE Ultrasonics Symposium.IEEE:New York,2007:142～145.

[2] 寧晨，顧宇，周康源，等.新型高精度超聲波流量計的設計[J].聲學技術，2003，22(4)：251～254.

[3] Lynnworth L C.Ultrasonic Measurements for Process Control:Theory,Techniques, Applications[M].San Diego: Academic Press,1989.