具有信号质量判断机制的时差法超声流量计

苏 剑，李 斌，刘宇杰，刘振凯，聂志刚，丁旭冰，赵子峰

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072;2.浙江迪元仪表有限公司，浙江义乌 320018)

0 引言

近几年来，超声波流量计由于其非接触式、不受流体物理化学性质影响的特点被广泛应用［1］。对时差式超声波流量计而言，精确地测量超声波传播的时间是提高测量精度的关键，而在当前测时芯片精度已经达到ps级别的基础上，要提高测时精度的关键就在于准确判断超声波形到达的时刻［2］。在这个前提下，信号的质量对测量的影响就显得极其重要，因此本文提出了一种在进行时间测量之前先进行信号质量判断的超声波流量计设计。

1 测量原理

时差法是根据超声波在流体中顺流与逆流的传播时间差与被测流体流速之间的关系来求流速的方法。其本质是超声波在流体中的传播速度受到流体流动的影响，在顺流和逆流时测出的时间会不同，因此再根据测出时间的差值就可以计算出流体的流速，也就可以计算出流体的流量［3］。其原理图如图1所示:逆流换能器和顺流换能器相对于管道轴线的安装角度为θ，管道直径为D，两换能器直线距离为L，流体流速v。

测量时，逆流换能器和顺流换能器交替作为接收和发射超声波端。超声波的实际传播速度c0是声速c和流体在声道方向上的速度分量vcosθ的和:

此时，顺逆流传播时间为t1、t2为:

图1 时差法超声波流量计工作原理

由上式可得到顺逆流时间差为

由于一般超声流量计最大可测流速在10 m/s左右，而声音在流体中传播速度约为1 500 m/s，远远大于流体流速，所以可以近似得到顺逆流时间差为

相应地，流体流速流量公式可以表示如下:

由式(5)可知超声波顺逆流传播时间t1、t2的测量精度直接影响到流速的测量精度和测量范围。

2 信号质量判断

2.1 信号质量判断机制

超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。理想的的超声信号是较短的、由正弦填充的、具有钟形包络的脉冲信号，如图2所示。

图2 超声回波波形图

而在实际测量过程中，所接收到的回波可能会受到一些噪声、杂质等干扰因素影响，波形会变得不完整、不对称，出现诸如第一个过低阈值点的正弦周期相对延迟，或者回波中个别正弦周期缺失等情况。这些受到干扰影响的坏波形，并不能真实反应流体的流速情况，将其计算在内会影响测量精确度。所以这里引入了信号质量判断的机制［4］，所谓的信号质量判断机制，即首先选取一些指标作为决策标准，选定了决策标准后在测量过程中对每个获得信号的指标进行判断，满足预设标准的信号继续处理，否则丢弃。

1977年Eck［5］首次在接收机中引入了信号质量判断机制，如果信噪比达不到预设值，则产生一个标记信号，系统据此标记不处理或用其他方法处理本次接收信号以避免误触发或不触发，其信号质量判断环节由比较器和触发器等构成。自此之后，这种思想一直延续至今，并发展成为多决策标准和多处理技术的系统。

当把信号质量判断机制引入到超声波流量计的信号处理上，可选择的指标就变得很多元化，如Kobayashi等［6］就以信噪比、峰值变化率、顺逆流峰值比等指标作为决策标准，满足指标的信号继续处理，否则丢弃;再如2006年的一项专利［7］中描述的测量系统在信噪比较高时用相关法，较低时用积分门限触发技术［8］。

2.2 双阈值电平比较法

本文介绍一种具体的信号质量判断方法:双阈值电平比较法［9］。双阈值电平比较法系统中含有2个阈值比较，一个低阈值，一个高阈值。过高阈值的第一个时间作为系统采集的第一个时间点t1，再采集接下来的2个过高阈值点t2和t5，以及2个过低阈值点t3和t4，一共采集5个点的时间。在采集这5个时间点的同时由系统记录过高阈值电平的脉冲个数以便进行后续判断。

图3 双阈值法示意图

系统获得了5个点时间和过高阈值电平的脉冲个数后，可以根据以下3个准则来对回波信号进行判断:

(1)根据获得的5个时间点的顺序，看其是否满足t1＜t2＜t3＜t4＜t5。如图3所示，如果超声波信号正常的话，那么其必然满足t1＜t2＜t3＜t4＜t5。

(2)在条件(1)的基础上，增加一个判断条件，即t2－t1，t3－t2，t4－t3，t5－t4，这 4个值都必须满足一定的条件。设定好阈值和回波峰值后，通过仿真将第二标准定为:

0.22 μs≤t2－ t1≤0.36 μs，0.03 μs≤t3－ t2≤0.07 μs，0.5 μs≤t4－ t3≤0.7 μs，0.02 μs≤t5－ t4≤0.06 μs，

具体数据可以根据现场情况再做调整。

(3)在通过标准(1)和(2)的基础上设定过高阈值脉冲个数为5～7个为正常信号，否则通过自动增益进行调整，直到信号正常为止。

2.3 信号质量判断

在得到上述判断标准后，就可以依据此标准对实际测量信号在处理之前先进行判断。由于实际测量中信号捕捉的瞬时性，很难在实际测量中捕捉到能被该判断方法筛选出来的坏信号波形图，因此运用仿真手段来观察实际测量中可能出现的坏信号波形。在管道实际测量中，波形往往会出现两种比较常见的畸变情况，即完全缺失超声信号的某个波峰(缺波)如图4所示或超声信号某个波峰降低(陷波)如图5所示，这里对这两种比较常见的畸变进行判断。

图4 缺波波形图

图5 陷波波形图

图4显示了缺波波形图，从图4可以看出如果采用双阈值电平比较法来对其处理的话，那么过高阈值脉冲个数会少一个，根据准则(3)可以把这样的信号丢弃掉。图5显示了陷波波形图，该图显示了一种第一个波峰值的临界状态，根据准则(1)可以筛选掉该信号。当第一个波峰值继续减小，判断结果和缺波的情况一致;而当第一个波峰值处于该临界状态和正常值之间时，需要依据准则(2)来判断，基于对准则(2)的选取比较粗略，可以认为这种情况满足双阈值电平比较法的判断准则，因此图5显示的是陷波信号是否被丢弃的一个临界状态。

表1列出了实际测量中的部分数据，根据表中给出的数据可以看到第3组数据不满足这5个时间点的理论顺序，同时根据数据的大小可以判断出它是图5显示的临界状态的测量结果;而第6组数据中每个时间点相比其他几组数据都大了1 μs左右，可以看出该组数据显示的是信号缺波或者陷波中第一个峰值比临界状态更小的情况下所测出的结果。因此根据双阈值电平比较法，可以丢弃掉这两组数据从而减小实验误差。

表1 双阈值法5个采集点时间 μs

3 系统设计

系统的总体结构主要由电源模块、微处理器模块、收发电路模块、信号处理模块和高精度计时模块组成。测量系统的总体结构如图6所示。

图6 系统总体结构图

系统具体流程为:首先由计时芯片TDC－GP2发出激励脉冲，激励脉冲经过发射放大模块后驱动发射超声换能器，与此同时高精度计时芯片记下该脉冲作用时刻;控制器控制收发时序模块控制未被激励的超声换能器作为接收换能器，接收穿越流体的超声信号，并将信号传递给后续信号处理模块。信号经过放大滤波处理后再进行过阈值比较、边沿触发产生能被计时芯片所测量的脉冲信号，记录脉冲信号到达的时刻就可以得到超声波形的传播时间。此外，微处理器会设置中断来统计过阈值的脉冲个数，作为甄别超声信号质量的因素。假定前面测量的是顺流时间，得到顺流传播时间后通过时序控制模块切换发射接收换能器功能再测量逆流时间，得到顺逆流时间就可以通过公式计算出所测流体流速和流量。

本文主要研究内容是实现对信号质量的精确判断，这里就具体介绍实现信号质量判断的硬件组成电路，即阈值比较电路和触发脉冲信号产生电路。

3.1 阈值比较电路

阈值比较电路中比较器选用的是AD8611芯片，其工作原理是当输入信号幅值高于参考电平的时候，输出端Q输出高电平，当输入信号小于参考电平的时候，输出端Q输出低电平。把超声波信号输入到IN+端口，IN－端口接上一个参考电平，那么就能够输出一串经过比较器比较后的方波。

经过阈值比较电路前后的超声波形和方波波形图如图7所示。

图7 比较器输出波形与原始波形比较

方波的上升沿与下降沿的时间点就是后续高精度时间测量模块需要测量的时间。

3.2 触发脉冲信号产生电路

触发脉冲信号产生电路如图8所示，边沿触发器选用的是SN74LVC1G123芯片。Rext和Cext端口外接合适的电容和电阻选择输出脉宽的宽度。因为超声信号频率为1 MHz，为了使时间芯片准确测量到边沿触发信号，边沿触发的脉宽必须小于500 ns，根据芯片手册选择 Cext=28 pF，Rext=2 kΩ，当 VCC为3.3 V时，此时输出的脉宽为170 ns左右。

图8 触发脉冲信号产生电路

最后，触发的脉冲信号通过或门SN741VC1G32芯片整合在一起。通过低阈值比较后的方波经过边沿触发器以及或门的处理后，得到的波形如图9所示:这样就得到了测量时间所需要的脉冲波形，后续时间测量只需要将这个脉冲信号直接输入到高精度测时芯片TDC－GP2的stop引脚即可。

图9 边沿触发后的波形

4 实验验证

试验在40 mm口径的管道上进行，利用超声波换能器和本系统的液体超声波流量计实现不同流量点的流量测量并与标定流量进行了比较分析，试验数据如表2所示。

表2 流量测量数据

由表2数据可知:流速在0.05～1 m/s之间测量误差都保持在1%左右，并且在每个流速点重复性测量都在0.3%以内。根据中华人民共和国城镇建设行业标准中热量表的常用流量可知40 mm口径的管道常用流量为10 m3/h，即0.556 m3/s，由表2可以看出在该流量点测量误差在0.3%以内，测量重复性为0.05%，大大提升了测量精度。

5 结论

本文在传统超声波测量系统的基础上，提出了一种具有信号质量判断机制的超声波流量计设计方案，并搭建了以430单片机为核心的硬件平台。通过试验验证表明该设计成功地提高了超声波流量计精度，具有可行性，并且随着对信号质量判断方法的进一步改进，流量计的测量精度也会进一步提高。

［1］马立玲，郭坤，王军政.液体超声流量测量中的传播时间精度分析.仪器仪表学报，2012，33(5):1028 －1034.

［2］陈建，孙晓颖，林琳，等.一种高精度超声波到达时刻的检测方法.仪器仪表学报，2012，33(11):2422 －2427.

［3］MENG H，WANG H，LI M W.High-precision flow measurement for an ultrasonic transit time flowmeter.2010 International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application.

［4］张涛，蒲诚，赵宇洋.传播时间发超声流量计信号处理技术进展述评.化工自动化及仪表，2009，36(4):1 －7.

［5］ECK C F.Acoustical flow meter:USA，4028938［P］.1977 －06 －14.

［6］KOBAYASHI T，SHIGETA K，FUJII T.Transit-time difference type ultrasonic flowmeter.USA，6647805［P］.2003 －11 －18.

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［8］WALLACE D R，KORBA J M，MATSON J E，et al.Intervalometer Time Measurement Apparatus and Methods:USA，4515021［P］.1985－05－07.

［9］陈洁，余诗诗，李斌，等.基于双阈值比较法超声波流量计信号处理.电子测量与仪器学报，2013，27(11):1024 －1033.