基于TDC-GP22的超声波渡越时间测量方法研究.pdf

第 卷第期年月计算技术与自动化C o m p u t i n gT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o nV o l ,N o J u n 收稿日期:基金项目:中煤科工集团公司创新创业资金专项重点项目(T D Z D )作者简介:马勤勇(),男,重庆人,硕士,工程师,研究方向:超声波流量检测.通信联系人,E m a i l:q q c o m文章编号:()D O I:/j c n k i j s j s y z d h 基于T D C G P 的超声波渡越时间测量方法研究马勤勇,(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 ;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 )摘要:介绍了采用T D C G P 用于超声波气体流量计信号接收和渡越时间(T O F)检测的实现方法.针对超声波信号接收电路,设计了带通滤波放大电路进行噪声抑制和放大处理,采用高速模数转换器(A D C)和数字电位器设计了增益控制电路,实现了对超声波接收信号的自动增益控制(A G C);针对超声波渡越时间检测,设计了阈值比较电路和高精度T D C G P 时间检测电路.利用噪声阈值门限对T D C G P 进行动态使能,避免了噪声引起的误检测.在音速喷嘴气体流量标准装置上进行了流量标定试验,试验结果证明了本测量系统具有良好的测量精度和测量稳定性.关键词:超声波气体流量计;渡越时间;数字电位器;自动增益控制;阈值比较中图分类号:TH 文献标识码:AR e s e a r c ho nU l t r a s o n i cT r a n s i tT i m eM e a s u r e m e n tM e t h o dB a s e do nT D C G P MAQ i n y o n g,(C h o n g q i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n aC o a lT e c h n o l o g yE n g i n e e r i n gG r o u p,C h o n g q i n g ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f t h eG a sD i s a s t e rD e t e c t i n g,P r e v e n t i n ga n dE m e r g e n c yC o n t r o l l i n g,C h o n g q i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h e r e a l i z a t i o nm e t h o do fT D C G P f o r s i g n a l r e c e p t i o na n dT O Fd e t e c t i o no f u l t r a s o n i cg a s f l o wm e t e r F o r t h eu l t r a s o n i cs i g n a l r e c e i v i n gc i r c u i t,t h eb a n d p a s sf i l t e ra m p l i f i e rc i r c u i t i sd e s i g n e df o rn o i s es u p p r e s s i o na n da m p l i f i c a t i o n T h eg a i nc o n t r o l c i r c u i t i sd e s i g n e db yu s i n gh i g h s p e e da n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r(A D C)a n dd i g i t a l p o t e n t i o m e t e r,a n dt h ea u t o m a t i cg a i nc o n t r o l(AG C)o f t h eu l t r a s o n i cs i g n a l i sr e a l i z e d;f o ru l t r a s o n i ct r a n s i t t i m ed e t e c t i o n,at h r e s h o l dc o m p a r i s o nc i r c u i ta n dah i g h p r e c i s i o nT D C G P t i m ed e t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d T h en o i s et h r e s h o l d i su s e dt od y n a m i c a l l ye n a b l eT D C G P t oa v o i df a l s ed e t e c t i o nc a u s e db yn o i s e T h e f l o wc a l i b r a t i o nt e s t i sc a r r i e do u t o n t h e s o n i cn o z z l eg a s f l o ws t a n d a r dd e v i c e T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a t t h em e a s u r e m e n t s y s t e mh a sg o o dm e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y K e yw o r d s:u l t r a s o n i cg a s f l o wm e t e r;t r a n s i t t i m e;d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r;a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l;t h r e s h o l dc o m p a r i s o n超声波流量计具有测量下限低、测量范围宽、测量精度高、无压损等优点,近年来已被广泛地应用于自来水、天然气等领域的流量计量,其市场前景非常广阔.超声波液体流量计技术难度相对较小,产品研发周期相对较快,市场饱和度较高.超声波气体流量计研发难度较高,是因为超声波信号在气体介质中传输衰减大,易受噪声干扰,导致超声波渡越时间难以准确测量,管道内流场的稳定性也会影响测量精度,较多的技术瓶颈导致产品研发周期较长.其一直以来都是国内外研究单位的研究热点,国内外目前仅有少数厂家具备高精度超声波气体流量计的生产能力.国内外科研人员主要采用时差法进行超声波气体流量计设计,采取的方法主要有阈值法和互相关第 卷第期马勤勇:基于T D C G P 的超声波渡越时间测量方法研究算法,互相关算法的测量精度高度依赖所选择的参考波形,但是参考波形的获取具有较高难度,所以更普遍的做法是采用阈值法结合过零检测进行渡越时间计算.渡越时间的测量精度直接影响超声波气体流量计的测量下限和测量精度,通过提高处理器或采集单元的工作频率可提高系统的时间测量分辨率,因此,一部分研究学者采用F P G A结合高速A D C进行波形采样、存储,进一步完成时间检测;一部分研究学者采用嵌入式M C U的高速时间捕获单元结合过零比较器进行时间检测,这两种方法均可以达到几十纳秒的时间分辨率,但依赖于高速采集单元的工作频率,导致系统工作功耗和硬件成本较高,要进一步获得更高的时间测量分辨率,采用专用时间数字转换芯片T D C G P 可以很方便实现,T D C G P 不仅具有皮秒级时间测量分辨率,而且集成有温度测量端口,体积小巧,在系统功耗和成本方面具有独特优势.以单声道超声波气体流量计为研究对象,采用T D C G P 进行了超声波渡越时间测量方法研究,研究主要从超声波接收电路和渡越时间检测电路两个方面展开.首先介绍了时差法超声波流量测量的基本测量原理,其次设计了超声波信号预处理电路,由滤波放大电路和自动增益控制电路构成,用于实现超声波接收信号的稳定接收,然后采用T D C时间数字转换模块结合阈值检测电路设计了高分辨率T O F检测电路,最后在气体流量标准装置上进行了测量精度和稳定性验证.测量原理单声道超声波气体流量计工作原理如图所示,两个超声波换能器构成收发一体的单声道,采用对射方式安装于管道内壁的同一截面,与管道轴线呈一定夹角布局,通过交替发射超声波信号,再分别检测顺流和逆流过程的超声波渡越时间,根据速度矢量合成公式反解计算可得到管道内流体的流速.换能器A发射至换能器B接收为顺流方向,该过程超声波渡越时间为td o w n;换能器B发射至换能器A接收为逆流方向,该过程超声波渡越时间为tu p.由速度矢量合成可以得到:td o w nLcvc o s()()tu pLcvc o s()()根据处理器时间测量算法测出td o w n和tu p,可计算得到管道气体流速v:vL c o s()(td o w ntu p)()结合管道截面积可计算管道气体流量:QDv()式中:Q是气体流量;D是管道内径.图超声波气体流量计原理信号预处理由于声阻抗不匹配,加上吸收衰减和散射衰减等原因,超声波信号在气体介质中衰减严重,换能器接收端未经过放大的信号幅值普遍仅有mV左右,如果是负压气体或高浓度甲烷气体,信号幅值会衰减变得更小,因此需要设计超声波预处理电路对超声波接收信号进行放大和幅度调节.超声波预处理电路由带通滤波放大电路和自动增益控制电路两部分构成.采用带通滤波可以抑制低频噪声和高频干扰,相对于无源带通滤波,有源带通滤波电路具有更加良好的阻抗匹配能力,因此本文采用二阶有源带通滤波放大电路,图所示为带通滤波放大电路原理图,通过调整R R、C C 的 参 数 大 小 可 以 实 现 中 心 频 率 k H z,带宽 k H z,增益 d B的滤波放大能力.图滤波放大电路自动增益控制电路主要由S TM 单片机、运算放大器和数字电位器完成,其中S TM F 单片机自带高速A D C,其通过软件配置完成 位分辨率,MH z采样,可以计算得到超声波接收信号的波形峰值.数字电位器采用美信公司的低漂移数字电位器MA X ,具有 个抽头,端到端计算技术与自动化 年月电阻为 k H z,通过S P I总线与S TM 单片机进行通信交互,单片机通过计算当前波形采样峰值与预设幅值的差值,线性调节数字电位器的输出,可以实现 d B的增益调节,基于数字电位器的自动增益控制电路如图所示.图自动增益控制电路渡越时间测量 T D C G P 驱动电路T D C G P 是德国A c a m公司推出的高精度皮秒级时间数字转换器,集成了斩波稳定的比较器和温度测量模块,内部含有模拟开关、算术逻辑单元、T D C测量单元、时钟控制单元以及S P I串行外设接口,具有高达 p s的时间测量精度,测量范围 n s到m s.T D C G P 通过S P I协议与S TM 单片机进行通信,根据接收来自S TM 单片机的寄存器指令,可以在F I R E端口产生指定脉 冲 数 量 和 中 心 频 率 的 超 声 波 驱 动 信 号,其S T A R T端口用于启动内部计时器同步,S T O P端口用于接收超声波信号、驱动及接收端口复用,通过模拟开关进行切换,该电路包含了两组一阶高通滤波器,并可以自动测量预定时间内多个脉冲的T O F时间.G P 外部时钟源包含 k H z石英晶振和 MH z的陶瓷晶振,其中,k H z石英晶振精度高、温漂小,MH z陶瓷晶振的启振时间短,可以通过 k H z石英晶振来控制陶瓷晶振仅在测量的时候才开启,G P 内部集成的时钟标定功能可以利用 k H z石英晶振对MH z陶瓷晶振进行实时校准,从而克服陶瓷晶振在不同温度下的漂移影响,因此,G P 具有卓越的超低功耗和高精度优点.T D C G P 驱动电路如图所示.渡越时间检测T D C G P 内置阈值可编程的斩波稳定低漂移比较器,但其阈值调节范围有限,仅有 m V,如果直接将超声波信号接到S T O P端口进行T O F检测,当信号噪声干扰超过 m V时,将会导致超声波信号首波及相邻波形被噪声淹没,引起T D C G P 的T O F时间检测不稳定并出现频繁的周期性误差,从而造成流量测量误差增大,因此需要设计动态使能电路对S T O P端口进行有效性选择.图T D C G P 驱动电路首先,设计具有滞回比较能力的高速比较电路,其比较门限由S TM 单片机内置的数模转换器(D A C)产生,软件配置其幅度调节范围为 mV,该功能用于防止噪声过高引起T O F误检测;其次,设计了不可重触发的单稳电路,当单稳电路检测到前级比较脉冲的上升沿时产生一定时间长度的高电平,该电平信号输出至T D C G P 的E N_S T O P端口,作为T D C G P 的动态使能信号,有助于实现较大噪声背景下的S T O P信号识别,由滞回比较电路和单稳触发电路构成的S T O P窗口使能电路如图所示.图窗口使能电路经过放大预处理后的超声波接收信号直接与T D C G P 的S T O P端口相连,当有效信号高于噪声门限时,会触发窗口使能电路启动T D C G P 的计时功能,从而得到个相邻脉冲的到达时间t、t、t,可进一步计算得到超声波信号的单个周期时间宽度,首波到达时间t减去个周期的脉冲宽度可得到超声波渡越时间T O F.超声波接收信号触发G P 进行T O F检测的逻辑示意图如图所示.通过间隔一定时间交替测量顺流和逆流过程的超声波信号渡越时间,根据公式()、公式()可得到管道内气体瞬时流速及平均流量.第 卷第期马勤勇:基于T D C G P 的超声波渡越时间测量方法研究图T O F检测逻辑示意图试验验证 超声流量计检定规程(J J G )明确了超声波流量计的准确度等级判定规则,规则要求流量计在QtQQm a x的流量范围内,其最大允许误差应符合表的规定;在Qm i nQQt的流量范围内,最大允许误差应不超过表规定的最大允许误差的倍.并且,对于气体流量计,Qt对应的流速应不大于m/s.表准确度等级与允许误差准确度等级 最大允许误差 本项目采用T D C G P 自主研发的D N 单声道超声波气体流量计,其流速测量范围为 m/s,对应流量范围为 m/h,分界流量为 m/h,对应流速为m/s.为了验证研究内容的有效性,在音速喷嘴气体流量标准装置上进行了实流验证,其装置准确度等级为 级.首先在零流量环境中针对流量零点进行了校准,再根据超声波气体流量计检定规程进行了流量系数校准,然后设定气体流量标准装置运行测量个流量点,分别为Qm i n、Qt、Qm a x、Qm a x、Qm a x.每个点测量次,通过与设定流量进行比较,可计算得到各点的测量误差和重复性,流量测量误差如表所示.表流量测量误差标准流量/(m/h)实测流量/(m/h)误差/重复性/根据表可以得出,本项目采用T D C G P 设计的超声波气体流量计满足国家 超声流量计检定规程(J J G )中对超声波流量计 级的测量精度要求.结论设计了基于T D C G P 的超声波气体流量计信号预处理电路和渡越时间检测电路.针对信号预处理,设计了带通滤波放大电路和自动增益控制电路,其中,带通滤波放大电路采用二阶有源滤波电路,用于抑制噪声干扰并且放大超声波信号,自动增益控制电路采用数字电位器配合低噪声运算放大器构成,用于自动调整接收波形幅值,具有多达 级步进调整范围;针对超声波渡越时间检测,设计了阈值比较电路和皮秒级高精度时间检测电路,利用噪声阈值比较电路生成的电平门限对T D C G P 进行动态使能,避免了噪声干扰引起的误检测.在音速喷嘴气体流量标准装置上进行了流量标定试验,测试结果表明本测量系统具有良好的测量精度和测量稳定性,测量精度符合行业标准规定的 级测量需求.本设计方法简单可靠,测量精度高,稳定性好,可进一步推广应用于多声道超声波流量计设计.参考文献解海艇,黄富贵流量仪表技术的发展趋势J自动化仪表,():杨坤松丹尼尔超声波流量计在L N G计量的应用J技术应用与研究,:赵毅,栾伟,吴志欣气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用研究J化学工程与装备,:鲁克华基于分段包络互相关算法的气体超声波流量计研究D杭州:浙江大学,:王漫基于互相关法超声波流量测量及监控软件设计D大连:大连理工大学,:穆立彬,徐科军,刘博,等基于可变阈值和过零检测的四声道气体超声波流量变送器J计量学报,():江圳,徐科军,马杰,等基于动态可变阈值的低功耗单声道气体超声波流量计J计量学报,():张嘉辰基于F P GA的超声波流量计的设计与研究D成都:电子科技大学,:田海军,刘炜明,刘炜正,等T D C_G P 在高精度超声波热量表中的应用J仪表技术与传感器,:谭超,胡诗俊,宫浩,等基于T D C_G P 芯片的超声波流量计J电子器件,():