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基于脉冲群相关法的时差式超声波流量计


文章日期:2018-01-19|阅读数:


摘要:针对时差式超声波流量计在实际工业现场的环境下会出现精度不高 ,抗干扰能力弱的情况 ,提出了一种基于脉冲群相关法的时差式超声波流量计设计方案。以 TDC 计时芯片的高精度计时为基础,运用脉冲群相关法提高超声波流量计的精度和稳定性,同时采用包络线自诊断的方法解决了波形畸变负面影响的问题,增强了时差式超声波流量计的抗干扰能力。 通过在 MATLAB 上进行仿真,以及在超声波流量计实验平台上进行实际测量,结果验证了方案的可行性。
  Abstract:The methodology for designing the ultrasonic flowmeter based on pulse cluster correlation and time difference is proposed.The accuracy and the stability of the ultrasonic flowmeter are improved,with the TDC timing chip in high preci-sion and the methodology of pulse cluster correlation employed.Simultaneously,the problem about the negative effect of waveform distortion is solved by means of the self-diagnostic methodology of the envelope curve,and the anti-interference ability of the ultrasonic flowmeter based on time difference is enhanced.
   Keywords:ultrasonic flowmeter,methodology of pulse cluster correlation,self-diagnosis of envelope curve
  为了更好地解决超声波流量计在工业应用中的难题, 本文借鉴了电平比较法和互相关法各自的优势, 创造性地提出了脉冲群相关法。 脉冲群相关法由于采用高精度计时芯片计时6,其计时精度可以达到几十 ps 级别,同时脉冲群相关法的使用还使其具有很高的稳定性,计算也较为简单,实时性强。 在此基础上,增加包络线自诊断方法, 弥补了脉冲群相关法不能克服严重波形畸变影响这一缺点, 这就使得时差式超声波流量仪表在工业环境应用中也能保持高精度、高稳定性、高抗干扰能力,对于工业生产具有重大的意义。

1、脉冲群相关法原理:
  脉冲群相关法的测量原理是用一个适当的阈值信号来截取超声回波信号, 这样就能得到一组占空比由小到大再由大到小的一组脉冲序列,然后利用精度能够达到几十 ps 级别的高精度的 TDC 计时芯片准确将脉冲序列中各个脉冲时间点测量并采集下来,如图 1 所示。
图 1	脉冲群获取示意图
图 1 脉冲群获取示意图
其中 t1 至 t6 表示阈值截取回波的时间点。 这实际上也是将超声回波信号极性化的过程7。 假设阈值为 c,那么得到 x0(t)和x1(t)的符号函数为:

sgn[X0 (t)]= ≥1X0 (t)≥c (1)
    0,X 0 (t)<c  
           
sgn[X1 (t)]= ≥1X1 (t)≥c (2)
    0,X 1 (t)<c  
           
离散的极性数字相关函数为5  
        T  
RsgnX0 sgnX1 τ 1 0sgn[X0 (t-τ)]sgn[X1 (t)]dt (3)
T
(τ)的峰值点即可确定 x0(t)
 
和 x1(t)的时间差 τ 的值,***后通过图 2 所示的模型以及公式(4)算得流量。
图 2	超声波流量计工作原理图


图 2 超声波流量计工作原理图
  2     2    
Q=Sν= πD ν= πDc tgα τ (4)
  4     8    
  上式中,Q 为流量,S 为管道截面积,ν 为管道中水实际流速,D 为管道直径,α 是换能器的连线与管道轴线的夹角,c 为声速。
图 3	超声回波包络线

图 3 超声回波包络线

  为了进一步提高基于脉冲群相关法的时差式超声流量测量技术的稳定性及抗干扰能力。 因此,本文提出一种包络线的自诊断方法,判断出波形的畸变程度,并对畸变波形产生的错误数据进行修正或舍弃。 其原理为,通过高速 AD 采样芯片对回波信号进行 AD 采样,得出超声回波的包络线,如图 3 所示;通过包络线判断回波是否有畸变,如图 4、图 5 所示;及其对渡越时间测量的影响, 从而剔除或修正由于波形畸变而产生的偏离真实值较大的数据。 这样就能保证脉冲群相关法所使用的数据均为反映真实流速值数据。
图 4	正常的超声回波 图 5	波形畸变的超声回波

图 4 正常的超声回波
图 5 波形畸变的超声回波

2、软硬件系统设计:
 下面将围绕验证所需的硬件与软件系统展开设计与说明。
 
2.1、硬件架构图:
 图 6 为系统的硬件架构图。 系统主要由两块单片机控制,MCU (1) 控制的是 TDC 计时芯片进行渡越时间的计时,MCU(2)控制 AD 采样模块对回波进行 AD 采样。 MCU(2)对波形采样数值进行包络线分析后,将分析结果送给 MCU(1),MCU(1)依据收到的分析结果对 TDC 计时数值进行修正或舍弃,***终算出流量值并显示。

2.2、 软件流程图:
  图 7 为软件系统运行的流程图,其中 a 是 TDC 计时部分的流程图,b 是 AD 采集部分的流程图。 软件系统工作过程为:首先 MCU1 和 MCU2 进行初始化,然后 MCU1 对 TDC 芯片工作模式进行设置,MCU1 向 TDC 芯片发送一次测量命令。 TDC 完成一次测量,同时 MCU2 控制 AD 采样模块完成对回波信号的采样。 MCU1 收到测量结束信号后,读取 TDC 测量值,同时接收MCU2 送过来的采样值并进行包络线自诊断, 依据自诊断结果对测量值进行修正,并将***终的流量测量结果进行显示。
图 6	硬件结构图


图 6 硬件结构图
图 7	软件流程图

图 7 软件流程图

3、仿真及实验结果:
 
3.1、仿真验证本文借助 MATLAB 平台, 主要验证了脉冲群相关法的可行性。 图 8 表示顺逆流回波信号经过标准相关法后相关函数波形。图 9 表示顺逆流回波信号经过极性化后,通过脉冲群相关法所得的相关函数波形。 其中超声波信号(1)表示顺流回波信号,超声波信号(2)表示逆流回波信号。 标准相关法和脉冲群相关法所得的波形的峰值重合,这就证明了脉冲群相关法的可行性。
 
3.2、实验验证:
图 8  互相关法仿真图	图 9  极性相关函数仿真图

图 8  互相关法仿真图 图 9  极性相关函数仿真图
  由于渡越时间的测量是衡量超声波流量传感器稳定性和精度的***重要指标,本文重点是脉冲群相关法对于渡越时间计时的精度以及稳定性,因此本实验选择在 DN50 口径的管道上进行零流速下渡越时间差的测量,一方面比较使用脉冲群相关法和使用基于阈值比较法的时差法两者的稳定性,另一方面衡量脉冲群相关法所测得的零点渡越时间差与理想零点之间的误差。
  如表 1 所示, 通过比较两种测量方法在零点时候测量数据的方差, 可以发现脉冲群相关法的稳定性要优于基于阈值比较法的时差法的稳定性。
表 1	两种方法测量值方差比较

表 1 两种方法测量值方差比较
  如表 2 所示, 脉冲群相关法所测得的零点渡越时间差平均值为 55ps,与理想零点相比差值为在 100ps 以内,并且***大值与***小值之间的差值在 100ps 以内,误差较小。
表 2	脉冲群相关法测量零点渡越时间差
表 2 脉冲群相关法测量零点渡越时间差

4、结束语:
 通过 TDC 计时芯片的级联 (通过 MAX35101 级联可以把测量的脉冲序列由 6 个扩展到 11 个)以及使用后续将要面世的更高性能的 TDC 计时芯片 (比如即将面世的 GP30 可以测量30 个脉冲序列), 可以将测量精度以及稳定性提高到一个更高的水平,本系统性能还具有很大的提升空间。


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