流量测量中超声波信号的稳定性设计

曹晓华，孙 洁

（华北理工大学 电气工程学院，唐山 063009）

流量测量系统中，超声信号的发射与接收设计将直接影响系统功能的实现。超声波换能器的材质和气体介质两者的特性阻抗相差甚远，造成换能器发射和接收效率太低。一般情况下，接收换能器从空气中接收到的超声波，只有0.0126%的声能透过换能器表面被转换为电信号，因此对超声信号的收发要求很高。设计时主要考虑共振频率、最大峰—峰电压和共振阻抗等因素，为使机械能的转换效益最大，换能器必须工作在它的共振频率点上，即要求发射部分的共振频率和接收部分的共振频率都应与换能器的固有频率相同[1]。同时信号的处理也很关键，本文采用最小二乘法，并经过试验论证。

1 超声信号的发射电路

图1所选用的超声换能器用于气体测量，其最佳工作频率为300 kHz。故由单片机发出的300 kHz方波信号UIN，经过驱动、功率场效应管IRF、变压器升压，最后加到换能器两端，使换能器能够工作在它的共振频率上，进而向空间定向发射同频率的超声波。R3又与C1形成RC时间常数，所以R3又不宜太大，否则会影响发射波形的质量。R3可以起到负反馈的作用，使场效应管的漏极电压趋于稳定。C1与变压器B的初级线圈形成LC谐振，保证其实现最大功率的输出。线圈B的匝数比为5∶80，变压器B的输出电压约300 Vpp[2]。

图1 超声波的发射电路Fig.1 Transmitting circuit of the ultrasonic

2 超声信号的接收电路

设计的超声流量计要求能够适合不同管道直径的测量，而且在管道内气体流速改变时，超声换能器所接收到的信号经放大、检波等处理后应保证信号幅度不变。这就要求对接收信号进行AGC即自动增益控制，使得信号弱时自动增大运放的增益，而当接收信号强时又能自动降低运放的增益。通过可变增益运放AD603、超声信号的峰值检测电路以及单片机的PWM输出3部分，再结合软件的处理，形成一个闭环控制系统，完成了超声信号输出的稳幅，保证了最终测量精度[3]。

由于被测介质在管道中的流速是可变的，如果接收到的超声信号的幅度随着流速的改变而改变，时间测量结果就会产生误差。为使接收信号的幅度在气体流速变化时仍能保持不变，就需对接收信号的幅度进行控制，即在接收信号强时，减少运放的增益；在接收信号弱时，增大运放的增益，从而达到接收信号保持稳幅输出的目的。

图2 AGC电路原理图Fig.2 Principel diagram of the AGC

图2中AGC电路由可变增益运放AD603、高速锁存器74HC74、高速比较器MAX991、MSP430单片机以及有源整流滤波器MAX4132组成。其中高速比较器MAX991的比较电压设定为1.8 V，以保证AD603能够输出±1.8 V的正弦波形，即当AD603输出波形的最大值超过1.8 V时，高速比较器就会发生翻转，产生一个上升沿，然后由高速锁存器把此沿锁住。这两部分被称为峰值检测电路。

3 超声波流量测量的软件非线性校正

进行气体流量的实际测量时，系统本身存在的非线性会对最终测量结果引入很大误差，必须采取措施加以校正。超声流量测量大约有0.05的非线性度，它主要由包括传感器在内的硬件固有传输时间引起，可用软件对其进行非线性校正。校正的精度将直接影响测控系统的总精度。对单片机来说，最小二乘法是一个较佳的选择方案，它是一种基于梯度变化量的计算来求得最优解[4]。

理论上讲，管道中的空气实际流量Q与超声流量计的示值Q′之比应保持为1，就是经非线性补偿后的理想结果。但在非线性校正之前的数显值Q″输出量与空气实际流量Q输入量并不总是相等，与上述理想直线之间约有5%的非线性度，可表示为

式中：r为满度非线性度；Qmax为流量计的满量程值。

非线性校正之前，将超声流量计的全量程有效范围平均分为11个测试点，对每一个测试点分别做5次等精度空气测量。其中每点每次都可以得到一对显示值：标准风速v和超声流量计示值Q″。再对每一个测试点的5次等精度测量结果取算术平均值，可得量程内11点上的平均测试数据vi和Qi″。经人工计算又可以把vi转换成空气体积流量Qi。

再设超声流量计的输出—输入特性曲线Q—Q″曲线坐标图像上的理想拟合直线为

式中：k为理想直线的斜率，待求常数；b为理想直线的截距，待求常数。

为了求出k和b之值，可以给出11个测试点上的各个绝对误差表达式：

依据最小二乘法原理，令各误差的平方和最小，方可得到理想直线。设s为其平方和，于是有：

将上式对k和b分别取一阶偏导数，并令其等于零，两式中的Qi″和Qi均为已知测试数据量。解出式中的k和b之值，可以表为

通过实验室数据记录，求出k=0.6，b=5.3。所有数据经过单片机软件线性化校正后输出，实验结果表明，效果良好。此外，管道内气体的压力、气体温度、气体密度都会对测量结果产生一定的影响，有时会很大，不得不对这些影响量作补偿处理，才能实现流量测量的精度指标，限于篇幅，本文不做介绍。

4 实验结果

为了衡量样机的稳定性，在实验室做了以下试验：

1）实验条件：常温（23℃）、常压（一个大气压）

2）气体介质：空气

3）实验设备：长为1 m、直径为0.3 m的有机玻璃管道，两侧分别插入超声探头，与气体流速成45°方向对置，两个超声探头的距离置为30 cm，一台最大风速为10 m/s的引风机。表1为所测得的实验数据。

表1 不同风速时所测实验数据Tab.1 Measured data in different speed of the wind

由表1可知，样机在长时间的实验中，在暂定的量程内，满度误差小于1%；非线性误差经软件线性化校正后的误差为5‰；外界干扰引起的粗大误差可由程序判断并剔除。样机的稳定性非常好，实现了预期的技术指标，反映了整机在硬件及软件上的设计水平是相当高的。

5 结语

通过上述实验论证可知，设计的整套控制方案，实现效果良好，尤其经过AGC控制电路，实现了接收信号的稳定；再加上一系列的软硬件控制措施，能够对管道气体的瞬时流量和累积流量进行精确的测量，并能实现气体介质、气体压力以及气体温度3种影响量的误差自补偿。

[1]韩莎.超声波流量计的测量原理和应用[J].工业计量，2012（S2）：64-66.

[2]张兴红，张慧，陈锡侯，等.一种精密测量超声波传输时间的方法[J].北京理工大学学报，2011，31（6）：717-721.

[3]ANALOG DEVICES.Low Noise，90MHz Variable-Gain Amplifier AD603[Z]，2002.

[4]王晓俊，周杏鹏，徐凯，等.基于改进相差法的超声波微流量检测[J].东南大学学报：自然科学版，2011，41（6）：1202-1207.