基于电压调幅的超声波流量计研究
迪元仪表公司新闻、学术论文、博客稿件征集表具体内容 0 引言超声波由机械振动产生，其特点包括振动频率波长短、定向传播、穿透能力强。超声波流量计是通检测流体流动时对超声束的作用以测量体积流量的一种仪表，时差法流量计是其中一种，是通过测量超声波信号在气体中顺流和逆流传播时间之差来求取流速，是一种非常理想的节能流量计。流体流动的状态不一定是理想的，所以要想提高流量计的测量精度就需要提高对数据检测的精确性以消除非稳态的影响。随着高速集成芯片和模拟开关等硬件的引入，系统可以实现对过零点的准确检测标记，整个检测过程的精度由计时芯片和采样芯片决定。随着dsp和a/d采样在超声检测里的应用以及过零点曲线拟合的方法的使用，可以尽量提高数据处理精度。但通常要获得越精确的波形数据，需要的 adc位数越高，而这与采样率的指标存在矛盾，如果依靠数字化后的波形判定渡越时间，兼顾采样精度和速率存在一定的难度。本研究设计一种超声波气体流量计调幅式激励电路和回波电路，在数字化判定波形特征点后，结合模拟电路进行过零点位置判定，可以在保证时间计量精度的同时维持较低的采样速率要求。1超声波流量计的工作原理时差法超声波流量计表体内超声波声道近似一条直线，工作区截面如图1所示。 图1 表体截面图在流体通过的管道上安装有ab 两个成夹角θ（图中的θ值为45°）的超声波换能器，设流体测量声道截面的平均线速度为v ，管道直径为d ，两个换能器之间的直线距离为l ，超声波在静止的流体中的速度为c 。一束超声波脉冲穿过流体传播：v =0，t1 =l/c（1）a到b即顺流时超声波传播时间为：t2 =l/(c +v cosθ）（2）b到a即逆流时超声波传播时间为：t3 =l/(c -v cosθ） （3）实验测得流体顺流和逆流时数据，根据式（2，3）可以得到不同情况下声道截面上的平均线速度v 。公式中l 、c 和θ均为已知，只要求得准确的t2和t3 就能得到准确的数据。所以确保流量计精度的关键就在于对渡越时间的准确采样和处理。2 激励电路和信号接收电路2.1 超声波激励电路的设计传统的超声波激励方式一般采用一定占空比的方波给激励换能器［7-8］，本研究采用了一种调幅激励脉冲的方法。利用cmos模拟开关cd4052，对外接的几个电压信号源信号进行选通。为避免通道切换瞬间电流过大，输入端接限流电阻r1~ r3 。通过调节外接电压可以调节激励强度，电路如图2所示。图2 换能器激励电路换能器选型为lhq200-3，其工作中心频率为200khz±4%，激励脉冲波形中心频率应与换能器工作频率一致，通过对引脚ab的控制，可以实现电压通道切换，生成需要的波形。激励波形在示波器中观察的结果如图3所示。个周期为5v小电压，然后2个周期的24v大电压，最后为2个周期24v电压压制，相邻两个激励波形时间间隔约为2ms，防止发射波形间隔过短产生相邻信号相互激振。cd4052为cmos模拟开关，芯片供电电压vcc设为24v，而dsp控制芯片发出的控制信号太小则无法满足控制要求，放大到高电平0.7vcc以上才能有效控制cd4052。图3 激励脉冲波形图2.2 超声波接收电路的设计超声波接收电路的作用是将接收换能器收到的小信号进行充分放大滤波后变成足够大的信号。经过管道内的传播，接收换能器接收到的波形变得非常微弱，只有几毫伏到几十毫伏，所以接收信号必须进行放大滤波处理。超声波频率较高，所以要求放大芯片要有足够的频带宽度，电路设计为两级ne5534放大。它是一款单路低噪音高速双电源供电放大器如图4所示。图4中电路的放大倍数由输入输出电阻决定，放大倍数为400倍左右，可以使电压放大到合适的范围。图4 接收放大电路采样前，本研究设计了一个π型低通滤波器做抗混叠滤波处理，通过观察示波器可以看到对波形毛刺等干扰具有一定的压制作用。3 实验数据分析不同风量下换能器接收信号的处理后波形如图5所示。无风速时的接收波形如图5（a）所示，风量为207m3/h时顺流接收波形如图5（b）所示，ch2触发信号作为基准。每个接收波形均存在一个前后波峰大小增值点，该点位置基本稳定在波形的第12个波峰，如图5所示，随着风量的增大，该波峰的位置（与触发波形下降沿的时间差t）会发生变动，变动量较小且与流体的速度密切相关。通过与发射波形对比得出，这是激励电压中第2个24v电压激励结果，通过该波峰后个过零点的位置检测结果可以得到不同风速下顺流和逆流的渡越时间差，在后续a/d转换中该点是计时结束时刻。处理过程中对过零点曲线拟合后可以得到更精确的过零点信息，通过中值滤波处理可以有效减小不稳定流速引起的偏差。根据公式（2，3）计算得到的v为传播声道线上的平均速度，需要修正才能得到管道截面的平均速度vm =v/k，流量修正系数k=(2n+1)/2n，流体的雷诺系数为104时，n取6.5，处理结果如表1所示，基准流量来自0.5级涡轮流量计。（a）无风速时的接收波形（b）风量为207m3/h时顺流接收波形测量误差包括示值误差和引用误差等，仪表的测量精度由引用误差表示，示值误差为测量值与真值之差值，引用误差为测量值误差与仪表的满量程值之比。满量程测量值取风量时vm ，误差分析表如表2所示。表1 数据处理表
基准流量
/（m3·h-1） 顺流过零位置 逆流过零位置 逆流顺流过零中值差/(10-7s) 平均速度vm/(m·s-1)
50 883.000 0 915.000 0 31.0000 1.6671
884.000 0 964.000 0
885.000 0 914.379 9
886.000 0 914.000 0
882.670 2 919.999 9
101 863.281 0 929.326 6 65.0000 3.4956
866.659 8 929.666 7
864.690 9 931.000 0
869.542 6 930.000 0
865.000 0 932.709 8
122 853.343 2 938.549 3 79.4999 4.2754
857.297 2 929.999 9
854.000 1 936.676 0
852.616 1 929.679 2
860.000 0 933.500 0
185 827.290 4 945.000 2 120.1976 6.4640
824.000 0 944.524 2
824.326 6 942.000 2
828.460 7 991.372 9
821.000 0 933.361 8
207 817.999 9 956.463 7 135.0001 7.2460
862.480 9 955.000 1
821.409 9 957.501 9
820.000 0 952.511 8
819.000 0 943.351 2
表2 误差分析表
基准流量
/（m3·h-1） 基准平均速度/(m·s-1) 流速示值误差/(m·s-1) 流速引用误差/(%)
50 1.768 4 -0.101 3 1.398
101 3.572 1 -0.076 5 1.056
122 4.314 9 -0.039 5 0.545
185 6.543 0 -0.079 0 1.09
207 7.321 1 -0.075 1 1.036
根据表2中结果可知测得的平均流速与实际偏差不大，测量引用误差保持在1.5%以内，可以满足测量要求。一次采集过程为2ms，采集时间为800μs，剩余时间分配给数据处理和数据显示。针对后续数据，只需要对过零点位置的采样就可以满足测量效果，这样可以有效地解决a/d采样中采样精度和效率不能兼顾的问题。4 结束语该实验设计了基于电压调幅的方法，具有较容易实现且后续数据采样处理简单的优点。标定实验结果表明，该方法在一般流场下具有很好的测量精度，但同时也具有调幅方法共有的抗力差这个缺点。在工业环境中仪表会受到周围的很多干扰，会给测量结果带来很大的误差，所以需要在抗干扰方面采取合适的措施，效果还需要在后续研究中验证。文章摘自：董登辉,鲍敏,郑锡斌.基于电压调幅的超声波流量计研究[j].机电工程. 2014(02)
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基准流量
/（m3·h-1） 顺流过零位置 逆流过零位置 逆流顺流过零中值差/(10-7s) 平均速度vm/(m·s-1)
50 883.000 0 915.000 0 31.0000 1.6671
884.000 0 964.000 0
885.000 0 914.379 9
886.000 0 914.000 0
882.670 2 919.999 9
101 863.281 0 929.326 6 65.0000 3.4956
866.659 8 929.666 7
864.690 9 931.000 0
869.542 6 930.000 0
865.000 0 932.709 8
122 853.343 2 938.549 3 79.4999 4.2754
857.297 2 929.999 9
854.000 1 936.676 0
852.616 1 929.679 2
860.000 0 933.500 0
185 827.290 4 945.000 2 120.1976 6.4640
824.000 0 944.524 2
824.326 6 942.000 2
828.460 7 991.372 9
821.000 0 933.361 8
207 817.999 9 956.463 7 135.0001 7.2460
862.480 9 955.000 1
821.409 9 957.501 9
820.000 0 952.511 8
819.000 0 943.351 2
表2 误差分析表
基准流量
/（m3·h-1） 基准平均速度/(m·s-1) 流速示值误差/(m·s-1) 流速引用误差/(%)
50 1.768 4 -0.101 3 1.398
101 3.572 1 -0.076 5 1.056
122 4.314 9 -0.039 5 0.545
185 6.543 0 -0.079 0 1.09
207 7.321 1 -0.075 1 1.036
根据表2中结果可知测得的平均流速与实际偏差不大，测量引用误差保持在1.5%以内，可以满足测量要求。一次采集过程为2ms，采集时间为800μs，剩余时间分配给数据处理和数据显示。针对后续数据，只需要对过零点位置的采样就可以满足测量效果，这样可以有效地解决a/d采样中采样精度和效率不能兼顾的问题。4 结束语该实验设计了基于电压调幅的方法，具有较容易实现且后续数据采样处理简单的优点。标定实验结果表明，该方法在一般流场下具有很好的测量精度，但同时也具有调幅方法共有的抗力差这个缺点。在工业环境中仪表会受到周围的很多干扰，会给测量结果带来很大的误差，所以需要在抗干扰方面采取合适的措施，效果还需要在后续研究中验证。文章摘自：董登辉,鲍敏,郑锡斌.基于电压调幅的超声波流量计研究[j].机电工程. 2014(02)
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