基于離散時差檢測的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

江境宏，劉桂雄，黃 堅

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于離散時差檢測的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

江境宏，劉桂雄，黃 堅

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

為縮小計數(shù)誤差、提高流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計量精度，基于離散時差檢測提出一種無需信號預(yù)處理的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。首先，根據(jù)多工位流量計脈沖計數(shù)原理，提出基于時差檢測的計數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理；其次，根據(jù)流量計脈沖離散信號特性，推導(dǎo)得多工位脈沖計數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式；最后，在具有4臺流量計的多工位流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置中實現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗與工程應(yīng)用試驗。結(jié)果表明：在脈沖信號周期穩(wěn)定的模擬試驗中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計數(shù)誤差小于0.0077個，在工程應(yīng)用中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計數(shù)誤差小于0.0432個。

流量計；脈沖計數(shù)補(bǔ)償；多路不同步信號；離散時差

0 引 言

脈沖計數(shù)是測試計量領(lǐng)域中廣泛使用的一種技術(shù)手段，以脈沖信號形式輸出的儀器儀表遍布工業(yè)生產(chǎn)、實時監(jiān)測、自動化控制等領(lǐng)域，對脈沖信號進(jìn)行補(bǔ)償，提高儀器儀表精度等級一直以來備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。脈沖信號計數(shù)精度提升方法主要有相位測量補(bǔ)償法、多周期同步法、時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（time to digital convert，TDC）方法。相位測量補(bǔ)償法將脈沖信號進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換為諧波，計算量較大[1]；廣州能源檢測研究院通過提取基波相位的方法，對3路不同步脈沖信號進(jìn)行精度補(bǔ)償，計數(shù)誤差小于0.06[2]；文獻(xiàn)[3]提出級聯(lián)自適應(yīng)陷波器，實現(xiàn)離線估計周期脈沖信號相位，對2路不同步脈沖信號進(jìn)行補(bǔ)償，其脈沖計數(shù)誤差優(yōu)于±0.045個；Liu等[4]基于時間-頻率測量算法變換實現(xiàn)同步相位測量法，準(zhǔn)確獲取不同步采樣情況下電壓、電流的基波相量；多周期同步法通過同步被測信號和閘門信號消除被測信號計數(shù)時存在的±1計數(shù)誤差，但時基信號仍存在±1計數(shù)誤差，難以進(jìn)行多路測量[5]；張朋[6]提出基于時間戳計數(shù)與多周期同步的頻率瞬變測量算法，減小由時基信號±1計數(shù)誤差引入的測量誤差，提高計數(shù)精度。TDC通過設(shè)計電路測量時間殘基，提高時間測量精度，進(jìn)而提高脈沖信號計數(shù)精度[7-8]，目前TDC時間測量精度已達(dá)皮秒級[9-12]。為實現(xiàn)多路不同步脈沖信號高精度計數(shù)、減小計算量，提出一種基于離散時差檢測的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。

1 多工位流量計脈沖計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

1.1 多工位流量計脈沖計數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理

圖1為多路不同步脈沖與閘門信號波形圖，以閘門信號的上升沿為i路脈沖計數(shù)起止時刻，由于每路信號上升沿時刻與閘門起止脈沖上升沿時刻不重合，采用上升沿計數(shù)法得到測量值存在±1以內(nèi)計數(shù)誤差。

圖1 多路不同步脈沖與閘門信號波形圖

多路不同步脈沖計數(shù)補(bǔ)償可通過測量起止時刻與相鄰脈沖上升沿時間差，計算補(bǔ)償計數(shù)值，減小計數(shù)誤差。

圖2 第i路脈沖計數(shù)補(bǔ)償示意圖

圖2為第i路脈沖計數(shù)補(bǔ)償示意圖。設(shè)第i路信號在閘門起止時間段內(nèi)檢測到脈沖個數(shù)值為Nip、補(bǔ)償計數(shù)值為Nic，則在該時間段內(nèi)精確計數(shù)值Ni為

設(shè)閘門信號起止時刻分別為ts、te，其各自相鄰第i路脈沖上升沿出現(xiàn)時刻為ti0、ti1和ti2、ti3。則按上升沿計數(shù)，ts～ti1和 te～ti3時間段內(nèi)需補(bǔ)償脈沖個數(shù)nis、nie，有：

則第i路脈沖信號最終補(bǔ)償計數(shù)值Ni為

若能獲取閘門信號起止時刻ts、te及其各自相鄰第i路脈沖上升沿時刻ti0、ti1和ti2、ti3，由式（1）即可得到第i路信號補(bǔ)償后脈沖計數(shù)值Ni。

1.2 多工位流量計脈沖計數(shù)誤差補(bǔ)償實現(xiàn)

目前計算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)，較適合處理離散信號[13]，通常將模擬量經(jīng)由多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行計算[14]。圖3為圖1的多路不同步脈沖與閘門信號波形的離散形式。

對采集到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)置上升沿穿越電平閾值為AT，則上升沿判定條件為

設(shè)g0（n）起止上升沿數(shù)據(jù)點分別為ns、ne，有：

記閘門起止信號相鄰第i路脈沖上升沿數(shù)據(jù)點分別為ni0、ni1和ni2、ni3，易知：

令數(shù)據(jù)采集卡各通道采樣周期為Tc，由數(shù)據(jù)采集卡采樣原理可知第i路計數(shù)補(bǔ)償值Nic為

則第i路脈沖計數(shù)值為Nip為

于是第i路脈沖信號最終補(bǔ)償計數(shù)值Ni為

則式（6）為多工位流量計脈沖計數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式，只需要獲取如圖3多路信號，即可實現(xiàn)計數(shù)補(bǔ)償。根據(jù)離散數(shù)據(jù)判定的上升沿時刻與原始信號上升沿時刻存在偏差，當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于原始信號頻率時，偏差遠(yuǎn)小于流量計輸出脈沖信號周期，可忽略不計。

圖3 多路不同步脈沖與閘門數(shù)字信號

2 試 驗

2.1 模擬試驗

使用信號發(fā)生器生成脈沖信號，經(jīng)100分頻后，進(jìn)行計數(shù)與補(bǔ)償；則原始信號的1/100為脈沖計數(shù)實際值。圖4為脈沖計數(shù)補(bǔ)償技術(shù)效果驗證原理圖。

圖4 脈沖計數(shù)補(bǔ)償技術(shù)效果驗證原理圖

信號發(fā)生器使用Tektronix AFG2021-SC，以RC電路輸出5 V閘門信號，數(shù)據(jù)采集卡選用阿爾泰PCI8602（最高采樣頻率250kHz）。圖5為脈沖計數(shù)補(bǔ)償算法流程圖。

圖5 脈沖計數(shù)補(bǔ)償算法流程圖

在實驗時長約100s、3路信號上升沿穿越電平閾值A(chǔ)T3V、數(shù)據(jù)采集卡單通道采樣頻率10000Hz的條件下，以信號發(fā)生器生成幅值4V、占空比為10%、頻率分別為20，60，100，200Hz的脈沖信號。表1為多次脈沖計數(shù)補(bǔ)償模擬試驗結(jié)果，可知沒有補(bǔ)償?shù)玫浇Y(jié)果計數(shù)誤差較大（±1以內(nèi)），補(bǔ)償后計數(shù)誤差小于0.0077個，補(bǔ)償效果顯著。

2.2 工程應(yīng)用試驗

研制的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置共設(shè)置4臺流量計（標(biāo)準(zhǔn)流量計、被檢流量計各2臺），配置阿爾泰PCI8602型數(shù)據(jù)采集卡，接入4路流量計輸出脈沖信號及換向裝置的1路閘門信號，實現(xiàn)4路脈沖信號的計數(shù)補(bǔ)償。

表1 脈沖計數(shù)補(bǔ)償模擬試驗結(jié)果

表2 脈沖計數(shù)補(bǔ)償工程應(yīng)用試驗結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)流量計分別在6.0，3.0 m3/h的不同流量下各進(jìn)行多次檢定試驗，根據(jù)圖4，采集標(biāo)準(zhǔn)流量計輸出脈沖信號、換向裝置輸出閘門信號，進(jìn)行計數(shù)補(bǔ)償驗證效果。令A(yù)T=3V、數(shù)據(jù)采集卡各通道采樣頻率fc=40kHz，表2為脈沖計數(shù)補(bǔ)償工程應(yīng)用試驗結(jié)果，可以看出，經(jīng)補(bǔ)償后計數(shù)誤差顯著降低，在±0.043 2個以內(nèi)，補(bǔ)償效果理想。

3 結(jié)束語

1）本文提出一種基于離散時差檢測的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)，信號無需進(jìn)行預(yù)處理，即可實現(xiàn)多路不同步脈沖信號補(bǔ)償。

2）在具有4臺流量計的多工位流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置上，嵌入基于離散時差檢測的流量計不同步計數(shù)誤差補(bǔ)償算法實現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗與工程應(yīng)用試驗。在周期穩(wěn)定的脈沖信號中算法補(bǔ)償后計數(shù)誤差小于0.0077個，在脈沖周期振蕩的工程應(yīng)用中，算法補(bǔ)償后計數(shù)誤差小于0.0432個。

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（編輯：劉楊）

Asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection

JIANG Jinghong，LIU Guixiong，HUANG Jian
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to reduce counting error and improve the measurement accuracy of flow device，an asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection which does not require preprocessing procedures is proposed.Firstly，according to the pulse counting principle of multichannel flowmeters，a counting error compensation technique is delivered based on discrete time difference detection.Then，the discrete form of pulse counting error compensation for multi-position is derived in view of the characteristic of pulse discrete signal of flowmeter.At last，engineering applications and simulation tests are conducted in a multi-station meter standard device with four flowmeters.The results show that，in the simulation tests of pulse signal with steady periodic，the pulse counting error after compensating is less than 0.0077，and in engineering applications，the pulse counting error after compensating is less than 0.0432.

flowmeter；pulse counting compensation；asynchronous signal；discrete time difference

A

：1674-5124（2017）01-0023-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.005

2016-08-15；

：2016-09-28

廣東省省級科技計劃項目（2016A040403044）

江境宏（1992-），男，廣東揭陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向為智能傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測控。