超声波流量计自适应双门限触发法研究

刘泽忠 徐 英 张 涛

(1.天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠及测量范围宽等特点，广泛应用于流体流量的测量。超声波流量计按测量原理分为时差法、多普勒效应法、相关法及波普偏移法等，其中时差法应用最广泛。时差法超声流量计的关键在于精确地测量超声波在流体中顺逆流传播的时间差[1]。在实际的超声波流量计中，发射信号一般是信噪比较高的方波，计时开始时刻容易确定；而接收信号时，由于超声换能器的谐振特性并且超声传播过程中存在衰减和噪声干扰，精确判断接收信号的到达时刻比较困难，从而制约着测量精度的提高。

双门限电平触发法是一种确定信号到达时刻的检测方法。双门限电平触发原理概括为“前沿检测与特征点触发定时”。在原理上，双门限电平触发法既消除了噪声电平的影响，也消除了相位误差。但是，在实际应用时双门限电平触发法还存在着不足之处。由于衰减作用和流动噪声的干扰，特别是在进行气体流量测量时，接收信号的幅值波动很大，虽然使用自动增益控制电路(AGC)[2]可有效地压缩信号幅值的波动范围，使信号基本保持稳定，但是因为接收信号的包络发生较大变化，而门限电平为固定电压值，很易发生误触发。因此笔者提出一种测量接收信号的实际幅值对触发电平进行实时控制的方法——自适应双门限触发法。

图1为双门限电平触发法示意图。该方法预先设定一个触发电平，当接收信号幅值达到此电平时给出触发允许，当信号到达特征点时，作为信号的到达时刻。图1中的特征点选为触发点之后的第一负过零点。超声传播通道的衰减作用和噪声干扰通常会造成超声信号形状畸变，故特征点一般选择那些被认为不易受波形变化影响的位置，如过零点或峰值点等，这样可以避免因为信号幅值变化而引入相位误差。图1中发射信号为脉冲信号，接收信号为枣核形包络的一簇正弦波信号，双门限法的第一门限为触发电平，作用是消除噪声电平的影响[3]。第二门限为过零电平，与接收信号进行比较，起到过零检测的作用，可以有效地消除相位误差，提高传播时间测量的准确性。

图1 双门限电平触发法

自适应双门限触发法是跟随接收信号包络变化实时改变触发电平的方法，可减少错波现象的发生。自适应双门限触发法的关键是准确计算适当的触发电平。采用在两个连续峰值之间取值的方法来计算触发电平。这两个连续峰值的选取基于以下两个原则：能够更有效地消除噪声电平的影响；两个峰值之间有较大电压差值，并且在包络发生变化时，两个峰值电压的幅度相对稳定。通过进行大量实验发现，在所检测到的正弦波簇中，第二个和第三个峰值满足条件。所以，首先需要测量这两个峰值(目标峰值)，然后才能通过计算得到适当的触发电平。

在设计中，使用峰值保持电路对信号进行峰值保持，同时对峰值信号进行高速AD采样，然后在单片机中对数据进行处理，得到目标峰值电压。有两种峰值保持电路，一种电路允许接收信号全部通过，称为峰值保持电路1。接收信号经过此电路后，能够获得正弦波簇的包络顶点前的全部峰值信号，如图2所示。在发射激励脉冲信号后，开始对峰值保持电路1的信号进行高速AD采样，能够获得正弦波簇中最大峰值前的每个峰值的电压值，即图2中的Ua0～Ua7。另一种电路控制接收信号部分通过，称为峰值保持电路2。接收信号经过此电路后，能够获得正弦波簇的包络最大值前的部分峰值信号，如图3所示。在设计中，此电路使用了3个，分别用来保持接收信号中的连续3个峰值。在接收信号通过之后，对3个峰值保持电路2的信号依次进行AD采样，能够分别获得触发电平后3个峰值的电压值，即3中的Ub1、Ub2、Ub3。

图2 峰值保持电路1的信号

a. Ub1为触发电平后的峰值信号

b. Ub2为触发电平后的峰值信号

c. Ub3为触发电平后的峰值信号

在双门限触发法中，峰值保持电路采用的只是峰值保持电路1。这种方法在自适应双门限触发法的使用中存在缺点，当图2中正弦波簇中的正弦波数量发生变化或者包络最大值附近峰值幅度产生饱和时，在对信号进行高速AD采样得到的数据中准确找到目标峰值比较困难。因此，为了在峰值保持电路1的信号采样得到的数据中找到目标峰值，增加了3路峰值保持电路2作为判断依据。

每次接收信号经过3路峰值保持电路2，能够获得图3中峰值Ub1、Ub2、Ub3对应的3个电压值，同时，峰值保持电路1的信号中也包含这3个值。Ub1、Ub2、Ub3能够为在峰值保持电路1的信号中找到目标峰值提供判断依据。把Ub1、Ub2、Ub3对应的电压值与峰值保持电路1的信号高速AD采样得到的数值进行比对，就能在其中找到对应的数值，其中图3中的峰值Ub1、Ub2、Ub3即对应图2中目标峰值2的电压值Ua3、Ua4、Ua5，继而在峰值保持电路1的信号AD采样值中往前递推找到目标峰值1对应的电压值Ua2，这样就找到了这两个目标峰值Ua2和Ua3。

找到两个目标峰值，通过加权平均法计算出触发电平，转化为对应的数字电位器控制码，控制数字电位器的阻值，根据电阻分压的原理，对下一次测量时接收信号到来前的触发电平进行调整，使其始终保持在两个目标峰值之间。

2 设计实现

超声流量计测量系统主要包括微处理器模块(MSP430F249)、计时模块(TDC-GP21)、脉冲发射与切换模块、接收切换与信号处理模块、液晶显示及存储器等外围模块，其结构如图4所示。计时模块所采用的高分辨率测时芯片TDC-GP21，测量精度可达22ps，保证了时间测量的精度要求。

图4 超声波流量计测量系统整体构架

自适应双门限触发法的实现流程如图5所示。通过脉冲发射与切换模块轮流对换能器A和B发射激励脉冲信号。

接收切换与信号处理模块一方面负责将发射脉冲信号进行降幅，使其通过接收电路，经过逻辑处理后得到触发计时器开始工作的计时开始信号，另一方面负责轮流切换接收换能器A、B产生的接收信号，然后经过放大、滤波、自增益控制得到峰峰值Vpp稳定为约3V的信号。此信号经过门限触发、过零比较和逻辑处理得到触发计时器停止工作的计时停止信号。峰值检波模块工作流程如图6所示，接收信号同时经过峰值保持电路1和2，对两路峰值信号分别进行AD采样。单次测量完成后，在单片机内对采集到的数据进行处理，找到目标峰值，计算出适当的触发电平，转换为相应的数字电位器码值。在下一次测量信号到来前，控制数字电位器，调整阻值，改变触发电平。

图5 自适应双门限触发法的实现流程

图6 峰值检波模块工作流程

为了保证程序稳定运行，在程序中限制触发电平的变化范围，并且加入判错波程序。限制触发电平的范围，可以在流速很大、信号变化很快的条件下时，保证触发电平的位置在可控范围内，防止程序失控。判错波程序的思想是通过对门限电压值和传播时间值进行分析，因为流速变化宏观上是连续、稳定的，所以通过分析，可以对偏差大的错误值进行剔除。加入判错波程序可以保证程序正确运行，保证流量准确测量。

3 实验过程和结果

笔者使用可调压中压湿气流量测量装置进行实验，该装置由罗茨风机供气，精确度为1%，流量范围为10～280m3/h。在管道中串联接入标准表和研发的DN50mm气超声流量表。标准表选用DN100mm涡轮流量计，标定流速范围为2～36m/s。流量计的各项测量数据见表1、2。其中，表1为使用常规双门限电平触发法所测量的数据，表2为使用自适应双门限触发法所测量的数据。表中误差的计算方法为：表中误差=(被校表流量/标准表流量-1)×100。

表1 双门限电平触发法实验数据

表2 自适应双门限触发法实验数据

对比两表数据发现，使用自适应双门限触发法，流量计的测量精度基本达到±1%，重复性0.2%。该方法可以有效地解决因为包络幅值发生变化造成错波的问题。

4 结束语

针对错波问题，对双门限电平触发法进行改进，提出了自适应双门限触发法。详细阐述了自适应双门限触发法的原理、具体实现和实验结果。设计了峰值保持电路和自动增益控制电路，通过两者配合动态确定比较电路的触发阈值，并给出基于峰值判断的错波修正方法，提高了测量精度。实验结果表明自适应双门限触发法能够有效地解

决信号包络发生变化造成易错波的问题。

[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] 宁晨，顾宇，周康源，等.新型高精度超声波流量计的设计[J].声学技术，2003，22(4)：251～254.

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