复杂流场中超声波流量计信号处理方法

摘要：一般时差式超声波流量计在测量环境较差的场合, 由于流场不稳和杂质干扰等原因, 超声回波信号会出现幅值衰减的现象, 导致流量测量出现错误。针对以上问题, 提出了以“测检结合”为核心思想的时差式超声波流量测量方法。依靠阈值比较法获得较高的渡越时间测量精度, 同时依靠包络线相关法对波形质量进行判断, 保证***终求得的流量的正确性。主要研究了回波信号的处理方法, 在搭建了实验平台的基础上进行了实验。实验结果表明提出的方法具有较高的精度、稳定性和抗干扰能力同时计算相对简单、价格较低的优点。

  随着IC技术的发展, 高精度计时芯片 (TDC) 逐渐普及, 阈值比较法时差法超声波流量计在测量环境较好的场合, 能够达到较高的精度, 应用效果较好, 比如说水表和热表。但是在测量环境较差的场合, 由于流场不稳和杂质干扰等原因, 超声回波信号会出现幅值衰减的现象, 导致流量测量出现错误。相关法超声波流量计虽然能够克服超声回波信号幅值衰减导致流量测量错误的情况, 但是由于其存在计算复杂、价格高的缺点, 应用也存在问题。针对以上问题, 本文提出了以“测检结合”为核心思想的时差式超声波流量测量方法。依靠阈值比较法获得较高的渡越时间测量精度, 同时依靠包络线相关法对波形质量进行判断, 保证***终求得的流量的正确性。本论文提出的方法, 能够兼顾精度、稳定性和抗干扰能力同时计算相对简单、价格较低[1,2]。

  时差法超声波流量计测量原理如图1所示, D为管道内径, v为流体流速, θ为换能器连线与管道中轴线的夹角。t1 (t2) 为超声波从换能器A (B) 到换能器B (A) 的传播时间。流体流速v的计算如式 (1) 。

图1 时差法测量的原理示意图

  式 (1) 中, c为超声波在流体中的传播速度, △t=t2-t1。在已知c的情况下, 流速v的基本要求是准确测量出超声波信号在管道中的顺逆流传播时间差△t。本文采用基于阈值比较法的高精度时间数字转换芯片TDC进行传播时间的测量, 其测量的基本原理如图2。

图2 阈值比较法时间测量示意图

  以激励脉冲触发换能器A产生超声波信号作为计时的起点, 以换能器B接收的信号幅值高于阈值时刻为终点, 就可以测量出超声波的传播时间。阈值比较法测量顺逆流信号时差的关键在于固定阈值Vth需截取到回波信号相同位置的波峰[3]。

  根据系统设计要求, 系统总体结构设计包括微处理器模块, 驱动模块、信号收发控制模块、信号处理模块、高精度计时模块、AD采样模块、电源模块和液晶显示模块几部分组成。系统总体结构图如图3所示。

图3 系统总体结构图

  图3即为各个模块之间的连接关系, 其中电源模块为每个模块供电, 包含±30 V、±5 V和+3.3 V。高精度计时模块中, 其测量精度直接影响流量的计算, 因此本论文选择的计时芯片为Maxim公司的MAX35101芯片, 其典型分辨率达到20 ps, 满足本系统要求[4]。AD采样模块中, AD采样速度影响采集到的波峰值与实际值之间的误差, 因此本论文选择ADI公司的AD9280芯片, 其采样速度***高可以达到32 MHz, 满足本系统要求。

  由于超声回波信号幅值较小, 不能满足后续高精度计时模块的测量需求, 同时超声回波信号在传递工程中也受到各种噪声的干扰, 影响高精度计时模块计时精度, 所以需要对模拟信号进行放大和滤波处理, 保证到达高精度计时模块的超声回波信号幅值可以满足测量需求并且不会受到噪声干扰[5]。

  当接收到的信号包含的噪声为主要矛盾, 噪声幅度远远大于信号幅度, 则需要先进行滤波, 然后再放大。因为假设先对信号进行放大, 接收到的信号噪声幅度较大, 放大器将输出饱和, 导致信号被进一步削弱, 就算后继滤波做得再好也已经没有意义。

  当接收到的信号和噪声幅度都很小。这种情况下为了尽量多的保存信号的信息需要先进行放大, 再滤波。放大不会导致饱和输出, ***大程度上保存了原始信号。假设先滤波再放大, 则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时可能使信号产生一定的畸变, 这就相当于加入了噪声。这种情况需要先进行放大处理[6]。

  考虑到本系统中噪声信号小于超声回波信号, 所以选用先放大后滤波的方案。信号处理模块示意图如图4所示。

图4 信号处理模块示意图

 另外, 由于芯片允许的输入模拟信号为0~2 V, 而经过超声回波信号处理模块处理后的超声回波信号为峰峰值约为1 V的交流信号, 不能满足条件, 所以要对超声回波信号进行进一步处理。

 本文选择采集半波的方案, 即将超声波信号放大到峰峰值接近4 V交流信号, 然后通过半波电路得到峰值2 V的超声半波信号, 送入采样芯片采样。AD采样模块原理图如图5所示。

图5 AD采样模块原理图

  进入放大电路的超声回波信号是电容之前没有抬升的超声回波信号, 放大电路有两路, 分别用来放大顺流和逆流两路超声回波信号, 两路放大电路参数相同。由于前面超声回波信号处理电路的可控增益放大电路已经将超声回波放大到峰峰值1 V了, 所以此处放大电路设定为增益固定, 放大四倍, 这样就可以得到峰峰值4 V的超声回波信号[7]。

图6 实验管道与注射器

  本文实验选择浙江迪元仪表有限公司的超声波流量计换能器, 50 mm口径管道, 在零流速下进行实验, 并且通过使用注射器向管道中打入气泡使超声回波信号产生幅值整体衰减, 来模拟实际测量过程中的干扰导致超声回波幅值整体衰减的情况。通过在本文设计的系统上进行的观测, 数据的采集、处理与分析, 实验方案的验证。图6所示为实验管道与注射器, 图7所示为系统硬件平台。

图7 系统硬件平台

  采集20组数据, 分别在不采用AD采集的包络线相关法进行识别矫正和采用AD信号包络线相关法进行识别矫正两种情况下计算渡越时间差, 观察包络线相关法对于错波现象的识别矫正成功率。如表1即为测量数据。

表1 基于AD信号采集的成功率实验数据对比

  由表1可以看出, 在20次测量中, 出现8次“错波”现象, 使用包络线相关法能够将8次“错波”情况全部检测出来, 并且依据包络线相关法校正后的数据符合实际情况。由此可以得出, 包络线相关法对于“错波”情况检测的成功率较高, 依据基于AD采集的信号处理和包络线相关法的结论对渡越时间差数据进行修正的可靠性较高。