基于脈沖群相關(guān)法的時(shí)差式超聲波流量計(jì)
摘要：針對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)精度不高 ，抗干擾能力弱的情況 ，提出了一種基于脈沖群相關(guān)法的時(shí)差式超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方案。以 TDC 計(jì)時(shí)芯片的高精度計(jì)時(shí)為基礎(chǔ)，運(yùn)用脈沖群相關(guān)法提高超聲波流量計(jì)的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)采用包絡(luò)線自診斷的方法解決了波形畸變負(fù)面影響的問題，增強(qiáng)了時(shí)差式超聲波流量計(jì)的抗干擾能力。 通過在 MATLAB 上進(jìn)行仿真，以及在超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。
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
為了更好地解決超聲波流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中的難題， 本文借鑒了電平比較法和互相關(guān)法各自的優(yōu)勢(shì)， 創(chuàng)造性地提出了脈沖群相關(guān)法。 脈沖群相關(guān)法由于采用高精度計(jì)時(shí)芯片計(jì)時(shí)［6］，其計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到幾十 ps 級(jí)別，同時(shí)脈沖群相關(guān)法的使用還使其具有很高的穩(wěn)定性，計(jì)算也較為簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。 在此基礎(chǔ)上，增加包絡(luò)線自診斷方法， 彌補(bǔ)了脈沖群相關(guān)法不能克服嚴(yán)重波形畸變影響這一缺點(diǎn)， 這就使得時(shí)差式超聲波流量?jī)x表在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中也能保持高精度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有重大的意義。
1、脈沖群相關(guān)法原理：
脈沖群相關(guān)法的測(cè)量原理是用一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝敌盘?hào)來(lái)截取超聲回波信號(hào)， 這樣就能得到一組占空比由小到大再由大到小的一組脈沖序列，然后利用精度能夠達(dá)到幾十 ps 級(jí)別的高精度的 TDC 計(jì)時(shí)芯片準(zhǔn)確將脈沖序列中各個(gè)脈沖時(shí)間點(diǎn)測(cè)量并采集下來(lái)，如圖 1 所示。
圖 1 脈沖群獲取示意圖
其中 t1 至 t6 表示閾值截取回波的時(shí)間點(diǎn)。 這實(shí)際上也是將超聲回波信號(hào)極性化的過程［7］。 假設(shè)閾值為 c，那么得到 x0（t）和x1（t）的符號(hào)函數(shù)為：
| sgn［X0 | （t）］＝ ≥1，X0 | （t）≥c | （1） | |||
| 0，X | 0 | （t）＜c | ||||
| sgn［X1 | （t）］＝ ≥1，X1 | （t）≥c | （2） | |||
| 0，X | 1 | （t）＜c | ||||
| 離散的極性數(shù)字相關(guān)函數(shù)為［5］： | ||||||
| T | ||||||
| RsgnX0 sgnX1 （τ）＝ | 1 | 乙0sgn［X0 （t－τ）］sgn［X1 （t）］dt | （3） | |||
| T | ||||||
（τ）的峰值點(diǎn)即可確定 x0（t）
和 x1（t）的時(shí)間差 τ 的值，***后通過圖 2 所示的模型以及公式(4)算得流量。
| 圖 2 | 超聲波流量計(jì)工作原理圖 |
| 2 | 2 | |||||
| Q＝Sν＝ | πD | ν＝ | πDc tgα | τ | （4） | |
| 4 | 8 | |||||
上式中，Q 為流量，S 為管道截面積，ν 為管道中水實(shí)際流速，D 為管道直徑，α 是換能器的連線與管道軸線的夾角，c 為聲速。
圖 3 超聲回波包絡(luò)線
圖 4 正常的超聲回波
圖 5 波形畸變的超聲回波
2、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
下面將圍繞驗(yàn)證所需的硬件與軟件系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)與說(shuō)明。
2．1、硬件架構(gòu)圖：
圖 6 為系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖。 系統(tǒng)主要由兩塊單片機(jī)控制，MCU （1） 控制的是 TDC 計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行渡越時(shí)間的計(jì)時(shí)，MCU（2）控制 AD 采樣模塊對(duì)回波進(jìn)行 AD 采樣。 MCU（2）對(duì)波形采樣數(shù)值進(jìn)行包絡(luò)線分析后，將分析結(jié)果送給 MCU（1），MCU（1）依據(jù)收到的分析結(jié)果對(duì) TDC 計(jì)時(shí)數(shù)值進(jìn)行修正或舍棄，***終算出流量值并顯示。
| 圖 6 | 硬件結(jié)構(gòu)圖 |
圖 7 軟件流程圖
3、仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
3．1、仿真驗(yàn)證本文借助 MATLAB 平臺(tái)， 主要驗(yàn)證了脈沖群相關(guān)法的可行性。 圖 8 表示順逆流回波信號(hào)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)法后相關(guān)函數(shù)波形。圖 9 表示順逆流回波信號(hào)經(jīng)過極性化后，通過脈沖群相關(guān)法所得的相關(guān)函數(shù)波形。 其中超聲波信號(hào)（1）表示順流回波信號(hào)，超聲波信號(hào)（2）表示逆流回波信號(hào)。 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)法和脈沖群相關(guān)法所得的波形的峰值重合，這就證明了脈沖群相關(guān)法的可行性。
3．2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：
| 圖 8 互相關(guān)法仿真圖 | 圖 9 極性相關(guān)函數(shù)仿真圖 |
如表 1 所示， 通過比較兩種測(cè)量方法在零點(diǎn)時(shí)候測(cè)量數(shù)據(jù)的方差， 可以發(fā)現(xiàn)脈沖群相關(guān)法的穩(wěn)定性要優(yōu)于基于閾值比較法的時(shí)差法的穩(wěn)定性。
表 1 兩種方法測(cè)量值方差比較
如表 2 所示， 脈沖群相關(guān)法所測(cè)得的零點(diǎn)渡越時(shí)間差平均值為 55ps，與理想零點(diǎn)相比差值為在 100ps 以內(nèi)，并且***大值與***小值之間的差值在 100ps 以內(nèi)，誤差較小。
表 2 脈沖群相關(guān)法測(cè)量零點(diǎn)渡越時(shí)間差
4、結(jié)束語(yǔ)：
通過 TDC 計(jì)時(shí)芯片的級(jí)聯(lián) （通過 MAX35101 級(jí)聯(lián)可以把測(cè)量的脈沖序列由 6 個(gè)擴(kuò)展到 11 個(gè)）以及使用后續(xù)將要面世的更高性能的 TDC 計(jì)時(shí)芯片 （比如即將面世的 GP30 可以測(cè)量30 個(gè)脈沖序列）， 可以將測(cè)量精度以及穩(wěn)定性提高到一個(gè)更高的水平，本系統(tǒng)性能還具有很大的提升空間。