超声波流量计自适应双门限触发法研究.pdf

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1、２８２化工自动化及仪表第４２卷超声波流量计自适应双门限触发法研究１，２１，２１，２刘泽忠徐英张涛（１．天津市过程检测与控制重点实验室，天津３０００７２；２．天津大学电气与自动化工程学院，天津３０００７２）摘要介绍了一种准确计算超声波传播时间的方法———自适应双门限触发法。该方法是对双门限触发法的改进，使用ＡＤ采样得到接收信号最大峰值之前的每个峰值电压，通过单片机计算处理，计算出合适的触发电平。根据接收信号包络幅值变化，实时控制触发电平，有效地避免了因为信号包络幅值剧烈变化而误触发的现象。关键词超声波流量计自适应双门限触发法传播时间ＡＤ采样中图分类号ＴＨ７０２文献标识码Ａ文章编

2、号１０００-３９３２（２０１５）０３-０２８２-０５①超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、1方法原理无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠及测量范图１为双门限电平触发法示意图。该方法预围宽等特点，广泛应用于流体流量的测量。超声先设定一个触发电平，当接收信号幅值达到此电波流量计按测量原理分为时差法、多普勒效应法、平时给出触发允许，当信号到达特征点时，作为信号的到达时刻。图１中的特征点选为触发点之后相关法及波普偏移法等，其中时差法应用最广泛。的第一负过零点。超声传播通道的衰减作用和噪时差法超声流量计的关键在于精确地测量超声波［１］声干扰通常会造成超声信号形状畸变，故特征点在流体

3、中顺逆流传播的时间差。在实际的超声一般选择那些被认为不易受波形变化影响的位波流量计中，发射信号一般是信噪比较高的方波，置，如过零点或峰值点等，这样可以避免因为信号计时开始时刻容易确定；而接收信号时，由于超声幅值变化而引入相位误差。图１中发射信号为脉换能器的谐振特性并且超声传播过程中存在衰减冲信号，接收信号为枣核形包络的一簇正弦波信和噪声干扰，精确判断接收信号的到达时刻比较号，双门限法的第一门限为触发电平，作用是消除困难，从而制约着测量精度的提高。噪声电平的影响［３］。第二门限为过零电平，与接双门限电平触发法是一种确定信号到达时刻收信号进行比较，起到过零检测的作用，可以有效的检

4、测方法。双门限电平触发原理概括为“前沿地消除相位误差，提高传播时间测量的准确性。检测与特征点触发定时”。在原理上，双门限电平触发法既消除了噪声电平的影响，也消除了相位误差。但是，在实际应用时双门限电平触发法还存在着不足之处。由于衰减作用和流动噪声的干扰，特别是在进行气体流量测量时，接收信号的幅值波动很大，虽然使用自动增益控制电路［２］（ＡＧＣ）可有效地压缩信号幅值的波动范围，使信号基本保持稳定，但是因为接收信号的包络发图１双门限电平触发法生较大变化，而门限电平为固定电压值，很易发生误触发。因此笔者提出一种测量接收信号的实际自适应双门限触发法是跟随接收信号包络变幅值对触发电平进

5、行实时控制的方法———自适应双门限触发法。①收稿日期：２０１５-０１-１２（修改稿）第３期刘泽忠等．超声波流量计自适应双门限触发法研究２８３化实时改变触发电平的方法，可减少错波现象的发生。自适应双门限触发法的关键是准确计算适当的触发电平。采用在两个连续峰值之间取值的方法来计算触发电平。这两个连续峰值的选取基于以下两个原则：能够更有效地消除噪声电平的影响；两个峰值之间有较大电压差值，并且在包络ｂ．Uｂ２为触发电平后的峰值信号发生变化时，两个峰值电压的幅度相对稳定。通过进行大量实验发现，在所检测到的正弦波簇中，第二个和第三个峰值满足条件。所以，首先需要测量这两个峰值（目标峰值），

6、然后才能通过计算得到适当的触发电平。在设计中，使用峰值保持电路对信号进行峰ｃ．Uｂ３为触发电平后的峰值信号值保持，同时对峰值信号进行高速ＡＤ采样，然后图３峰值保持电路２的信号在单片机中对数据进行处理，得到目标峰值电压。有两种峰值保持电路，一种电路允许接收信号全在双门限触发法中，峰值保持电路采用的只部通过，称为峰值保持电路１。接收信号经过此是峰值保持电路１。这种方法在自适应双门限触电路后，能够获得正弦波簇的包络顶点前的全部发法的使用中存在缺点，当图２中正弦波簇中的峰值信号，如图２所示。在发射激励脉冲信号后，正弦波数量发生变化或者包络最大值附近峰值幅开始对峰值保持电路１的信号进行

7、高速ＡＤ采度产生饱和时，在对信号进行高速ＡＤ采样得到样，能够获得正弦波簇中最大峰值前的每个峰值的数据中准确找到目标峰值比较困难。因此，为的电压值，即图２中的Uａ０～Uａ７。另一种电路控了在峰值保持电路１的信号采样得到的数据中找制接收信号部分通过，称为峰值保持电路２。接到目标峰值，增加了３路峰值保持电路２作为判收信号经过此电路后，能够获得正弦波簇的包络断依据。最大值前的部分峰值信号，如图３所示。在设计每次接收信号经过３路峰值保持电路２，能中，此电路使用了３个，分别用来保持接收信号中够获得图３中峰值Uｂ１、