基于相关法的高精度超声波流量计的设计

1、Automation &Instrumentation 2011(5 基于相关法的高精度超声波流量计的设计杨舟1,韩宇杰1,王红1,杨士元1,范顺杰2(1.清华大学自动化系,北京100084;2.西门子(中国研究院,北京100080摘要:基于相关法的超声波流量检测方法,能有效利用超声波脉冲的整体信息进行时差测量,具有精度高,抗干扰能力强等优点。同时相关法对测量过程中计算量需求大,对超声波脉冲的可配置性要求高,所需的硬件平台设计具有一定难度。作者设计并实现了一款基于相关法的超声波流量检测系统,利用高精度浮点DSP 为数字核心,配合相应的模拟电路,实现高速计算、可配置、高频采样率的超声波流

2、量检测过程,对小口径小流量的管道液体检测达到了纳秒级的精度。关键词:超声波流量计;相关法;可配置脉冲;模拟电路中图分类号:T H814文献标志码:BDesign of Ultrasonic Flowmeter with High Precision Based on Correlation Algo-rithmYANG Zhou 1,HAN Yu-jie 1,WANG Hong 1,YANG Shi-yuan 1,FAN Shun-jie 2(1.Department of Automation ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;2.Sie

3、mens China ,Beijing 100080,China Abstract :Ultrasonic flowmeter based on correlation algorithm make full use of information of the ultrasonic signal ,which has the advantages of high precision and strong faculty of anti-noise and so on .To inplement the correlation algorithm ,much amount of calculat

4、ion in the system and configurable ultrasonic signal are needed ,which adds diffi-culty for design.The author designed an ultrasonic flowmeter with high precision based on correlation algorithm with the cooperation of Siemens c orporate t echnology ,which uses a DSP as the digital core to inplement

5、the correlation algorithm at high speed.With neccessary analog curcuit for configurable signal and sampling ,the system reaches pre-cision of nanosecond for pipline with small caliber and low flow rate.Key words :ultrasonic flowmeter ;correlation algorithm ;configurable signal ;analog curcuit收稿日期:20

6、10-12-24;修订日期:2011-02-22基金项目:国家自然科学基金项目(60773142作者简介:杨舟(1985-,男,硕士研究生,研究方向为数模混合电路的设计、检测技术;王红(1971-,女,副教授,研究方向为电子技术、检测技术、系统故障诊断理论和技术。文章编号:1001-9944(201105-0014-06超声波检测技术可以克服被测管道口径大小对仪表造价的影响,且测量结果基本不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响,测量精度稳定性较高,因而在工业流量测量得到越来越广泛地应用。超声波流量计根据测量原理的不同,可分为基于传播速度差法(时差法、相位差法、频差法、波束偏移法、多普勒

7、法等类型1。传播速度差法是利用超声波信号顺流和逆流传播速度差来反映流体流速的方法。其中最典型的为时差法,在进行测量时使用一对超声波换能器,顺逆流交互进行收发、发收的操作,通过超声波信号相邻两次方向相反的传播的时间差获取流体流速。根据获取时差方法的不同,又可分为直接时差法、相关法等。直接时差法计算简单,对超声波脉冲特性要求简单,但时差测量的结果基本由阈值点处的波形状况决定,容易受各种不确定干扰(如管道内气泡的14自动化与仪表2011(5 影响,在信噪比较低的管道状况下整体测量精度难以得到保证2。相关法能有效地利用波形的整体信息3-4,弱化突发噪声、白噪声对测量结果的影响5-6,但相关算法对计算量

8、的需求较大,每一次测量、计算时间长,给高精度的实际应用带来困难。本文设计了一套基于相关法的高精度超声波流量检测系统,该系统针对小口径小流量管道条件进行测量,具有纳秒级的时差测量精度,提供可配置的超声波脉冲波形生成接口,且每一次测量和计算的总时间控制在10ms 级。系统使用一款浮点DSP 作为核心数字模块,利用其高速浮点运算的能力实现相关计算,并配合高速的数模、模数转换芯片,实现对超声波波形的高频采样、生成,达到高时差精度、快速测量的标准。1相关法在超声波流量检测系统中的应用1.1时差法进行流量检测的原理使用时差法对小口径小流量的管道流体流量进行测量,在流体流动方向设置一对超声波换能器,如图1所

9、示。在一个测量周期内,2个换能器分别顺、逆流进行一次超声波脉冲的发送和接收。令信号顺流传输渡越时间为T 1,逆流传输渡越时间为T 2,则有:T 1=S C+V +T 2=S C-V+式中:S 为换能器间距;C 为声波在静止液体中的传播速度;为电路延迟;V 为液体流速。由于C>V ,可得到:T 2-T 1=2SV可见,2次超声波信号发收过程的渡越时间差包含了流体流速信息,进而可确定流体的流量。故时差法对流量的测量精度主要由发/收过程渡越时间的测量精度决定。1.2相关法在时差测量中的应用使用时差法进行测量,发送端的超声波换能器发送超声波脉冲如图2(a ,则在接收端收到的脉冲由于在液体内传输过

10、程中的衰减,前后端幅值减小,实际波形如图2(b 。直接时差法从发送脉冲的起点开始计数,对接收信号进行阈值判断,实现对渡越时间的测量,原理简单,易于实现。但直接时差法测量的精度直接受限于采样频率,阈值判断是否正确基本由脉冲起点处的波形决定,若脉冲在流体内因气泡等因素影响产生畸变,则可能导致对第一个超过阈值的点判断错误。如图3所示,对仿真过程中接收到的超声波脉冲波形叠加一定信噪比的高斯噪声。由于噪声对接收波形的影响,经过采样,第一个超过阈值(0.15,0的波形点在时间轴上相对于未添加噪声的情况偏离了2个采样间隔。对作者所设计的系统而言,采用图1时差法进行超声波流量检测原理Fig.1Principl

11、e of ultrasonic flowmeter based on themethod of time differenceT 2T 1VSV图2超声波流量检测发、收波形Fig.2Waveform of ultrasonic flowmeter(b 接收波形10.80.60.40.200.20.40.60.8-15010015020025030010.80.60.40.200.20.40.60.850100150200250300x:146y:0.1529t1t 2t 3t15Automation &Instrumentation 2011(5 75MHz 的高频采样,一个采样间隔的

12、偏离对时差计算将造成13.3ns 的误差。使用相关法进行时差测量,则事先将根据实测经验得到的接收端预计波形进行预存,如图(a 。从发送脉冲开始计时,至t 4时刻起进行数据的采样、转换并存储,如图4(b 。将预存的波形和接收到的一段脉冲波形进行相关运算,求取2段波形在时间轴上的最大相关点,即2段波形的时差,如图4(c ,此时差与t 4相加,即为脉冲渡越时间。显然,相关法求取的时差为2段波形“总体”的时差,接收到的波形某一点或某几点处的幅值并不会对整体相关的结果产生大的影响。在接收到的脉冲波形上再次叠加与图3相同信噪比的高斯噪声,再进行相关计算,结果如图5所示。可见,噪声的添加并未影响到相关计算的

13、关键结果,最大相关点对应的时间轴位置不变,即渡越时间计算结果与无噪声情况相同,相关法在抗干扰能力方面要明显优于直接时差法,在较低信噪比情况下依然能实现高精度时差测量。1.3基于相关法的高精度超声波流量检测系统结构本文基于相关法设计实现了一款超声波流量检测系统,该系统主要针对小口径小流量的管道情况进行测量,能达到纳秒级的测量精度。系统实现的关键在于高效地完成每周期的相关运算,使用DSP 芯片TMS320C6713作为系统核心数字模块,采用预存波形的方式,将超声波脉冲信号以数字序列的形式存放于DSP 芯片的RAM 中,对实际的超声波脉冲波形的配置即可通过对数字序列的修改便利的完成。并且利用DSP

14、的高速浮点运算1.510.500.5-150100150200250300x:148y:0.1628t 3图3叠加高斯噪声的超声波接收信号Fig.3Waveform of ultrasonic signal with G aussian noise图5叠加高斯噪声情况下相关法计算结果Fig.5Result of correlation algorithm with G aussian noise20151050-5 10152050100150200250300tx:135y:19.810.80.60.40.200.20.40.60.810.80.60.40.200.20.40.60.8501

15、00150200250300t(b 接收波形(a 预存波形x :135y :19.7750图4相关法计算时差的原理Fig.4Principle of correlation algorithm for timedifference20151050-510152050100150200250300tx:135y:19.77(c 最大相关点与传输时差16自动化与仪表2011(5 能力,在收发脉冲波形长度为4000点的情况下,使每一周期测量的相关运算时间符合毫秒级的应用需求。系统的结构如图6所示。超声波脉冲的存储和运算都在DSP 芯片中进行,使用高频DAC 、ADC 完成波形生成和接收采样时的转换,

16、并在模拟电路中实现相应的可配置放大、滤波等模块,确保脉冲波形达到幅频要求。在实际使用中系统同时驱动2对超声波换能器进行测量,由于每一对超声波换能器每周期有收/发状态互换的需求,故使用MUX 芯片对换能器的通路进行选择。另外,为了节省DSP 模块的资源,尽量确保运算时间,系统的外围显示和控制功能通过一个单片机予以实现。2超声波流量检测系统模拟电路的硬件实现2.1数模/模数转换电路的实现在时差测量精度的要求下,系统使用高频DAC 、ADC 完成信号在DSP 芯片与模拟电路间的转换。DAC 、ADC 工作于75MHz 转换频率,均只提供并行接口,要求DSP 能予以匹配。如图7所示,系统使用2对8位高

17、速并行ADC AD9214和8位高速并行DAC AD9708进行转换,利用DSP 芯片TMS320C6713的EMIF 接口的数据总线实现DSP 与DAC 、ADC 的接口。EMIF 接口一般用于DSP 对RAM 的访问,可支持最高100MHz /32bit 的读写操作,满足与2对DAC 、ADC 间75MHz /32bit 的通讯要求7。EMIF 接口的32位数据线在同一时刻只能同时为发或者收,需与单向收发的DAC 、ADC 接口进行配合,避免损坏。使用2片单向的buffer 芯片在DSP 与DAC 、ADC 之间进行隔离。buffer 芯片与DSP 、DAC 、ADC 配合时序如表1所示。

18、其中,buffer 芯片的状态控制端OE1/OE2由DSP 的GPIO 予以控制。另外,选用的buffer 芯片应具有高阻态的保持功能(bushold ,以保持DA 芯片的数字输入端在脉冲间隔时间段为10000000,使模拟输出为稳定的0电平。系统选用74LVCH162244A 芯片,可满足需求。2.2超声波换能器驱动电路的实现系统驱动的超声波脉冲信号中心频率为500k 2MHz ,最大峰峰值20V ,使用的超声波换能器为1500p F 大容性阻抗。系统对超声波换能器的驱动电路如图8所示。通过使用运算放大器和8选1模拟MUX 芯片构成的负反馈放大电路对由DAC 生成的模拟信号进行可配置放大,放

19、大的倍数通过MUX 芯片的选择端进行控制,选择端由系统MPU 的GPIO 信号给出,在系统运行时通过键盘直接控制。对于最大峰峰值20V 的脉冲,要求运算放大器和MUX 都支持±12V 电压供电,由于所驱动的超声波换能器为1500p F 容性阻抗,对运算放大器的驱动容性阻抗能力和功耗均提出要求。在20V ,2MHz 的脉冲信号极限条件下,换能器消耗的功率为(10/2姨2(=0.942W 。通用的运算放大器难以同时满足电压、摆率、带容性负载能力和功耗的要求,故使用OCL 电路进行功率放大。图中电阻R8_1用于隔离运放输出级和OCL 级,防止多级放大情况下驱动大容性负载产生的尖峰、振铃现象

20、8。电阻R8_2与R8_3用于平衡二极管和三极管同时导通时的压降之差,防止大电流直接通过三极管使三极管烧毁。表1DSP 与DA 、AD 通讯的时序配合Tab .1Timing of communication of DSP and DA /ADOE1/OE2Buffer_DA Buffer_ADDSP 行为1/0高阻通接收信号0/1通高阻发送信号图6基于相关法的超声波流量检测系统结构Fig.6Structure of ultrasonic flowmeter based oncorrelation algorithm外围控制MPU 数字核心模块DSPDAC放大驱动ADC放大滤波MUX数字电路部

21、分模拟电路部分键盘屏幕16bit Buffer _DA16bit Buffer _DA DSP RAM32bitOE1OE2DAC_1DAC_2ADC_1ADC_2E M I FAutomation &Instrumentation 2011(5 配合OCL 电路的使用,减弱了对运算放大器选型的要求,系统使用±12V 供电,额定功率0.5W ,可驱动任意容性负载的AD817即可满足需求。2.3超声波信号接收电路的实现系统支持收到的超声波信号峰峰值范围为30mV2V ,对信号的可配置放大范围为164倍。由于信号中心频率为500k2MHz ,在一般通用型运算放大器频率带宽积有限的

22、条件下,应使用多级放大的设计。系统的超声波信号接收放大电路设计如图9所示。使用2级负反馈放大,放大的倍数由8选1的模拟MUX 芯片选择反馈电阻决定,与超声波信号驱动放大电路相同,MUX 芯片的选择信号由系统的单片机部分控制,在使用过程中通过键盘实时配置,从而实现对接收信号放大倍数的选择。另外,在2级放大电路间加入带通滤波环节,主要滤除工频噪声和数字端提供的75MHz 时钟耦合的噪声。2.4超声波换能器收发切换的控制系统在实际使用中同时支持2路超声波信号的收发和测量。在每一周期的测量过程中,每一对超声波换能器都将进行一次发送/接收信号状态的切图8超声波脉冲信号驱动模块设计Fig.8Drive m

23、odule of ultrasonic signalSFGOUT113142116158Vss S1S2S3S4S5S6S7S8VCC GND EN A0A1A2D345671211109U002+5V+12VGPIO_A1GPIO_A2GPIO_A35001k 1.5k 2k 2.5k 3k 3.5k 4kADG1408C f15p+12V235681-12VU1AD8065R 351kCf_15Inductor 47H74-12V350pL15Cf_1722pDI9GOUT_A-12V +12VR 8_1300R 8_220R 8_320R 8_53kR 8_43kD5IN4001D6IN

24、4001U007BD237U008BD236R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 8SIGIN_A1686111093VEE XD X1X2X3X4X5X6X7VCC GND EN A B C X 7131415121524U18+5V-5V+5V-5VGPIO_A4GPIO_A5GPIO_A61k 2k 4k 6k 8k 10k 12k 14k74HC4051C 125p+5V +5V235681-5V-5VU2AD8065R 171kC_ch1CapP0131Inductor 47H Inductor 47HC 2231500pL2Inductor 47HL3C 234350pR

25、361k235681U3AD8065CF_18350pL18SIGIN1686111093VEE XD X1X2X3X4X5X6X7VCC GND EN 7131415121524U19GPIO_A4GPIO_A5GPIO_A61k 2k 4k 6k 8k 10k 12k 14k74HC4051C f35p7474A B C X18仪器仪表装置 换，在 2 路驱动、接收电路确定的情况下，在信号输 入、输出端口和超声波换能器之间使用 MUX 芯片， 可以方便地实现换能器状态的切换。 如图 10 所示，使用 2 片 2 路 4 选 1 的 MUX 芯 片 AD1409 ， 固定端分别连接 2 路超

26、声波驱动和接 收 电 路 端 口 ，可 选 端 连 接 2 对 超 声 波 换 能 器 ，实 现 在任一时刻 2 个换能器将与驱动电路输出端口相 通， 另两个换能器与接受电路的输入端口相通，通 路的切换通过 DSP 控制 MUX 芯片的数据选择端， 与 数 字 序 列 的 发 、收 时 序 配 合 ，即 可 实 现 每 一 个 测 量周期内换能器的功能切换。 Selected from DSP 考虑到温度、压力等因素的实际影响，理论时差 在实测中需要进一步校正。 实验中多次测量结果的 相对误差均在 1ns 左右， 证明每一次测量的相关计 算的最大相关点结果保持不变，仅每次对最大点处 附近进行插

27、值运算产生结果的差别，故可以认为本 系统对小口径小流量管道的液体流量时差测量精度 稳定地达到了纳秒级。 且实测系统每一次测量和运 算的周期为 14ms ，满足应用需求。 4 结语 在超声波流量检测中应用相关法进行时差测 量，充分利用了脉冲波形的整体特点，测量精度高、 抗干扰能力强，在信噪比较低的管道条件下有相对 优越的性能。 本文设计并实现了一款基于相关法的 A1 高精度超声波流量检测系统，利用浮点 DSP 高效完 成相关计算，对小口径小流量管道情况下的时差测 量精度达到纳秒级。 并且配合相应模拟电路，系统 所驱动的超声波脉冲波形、幅频均可进行配置，系统 具有可扩展性。 参考文献： 1 梁 国 伟 ，蔡 武 昌 流 量 测 量 技 术 及 仪 表 M 北 京 ：机 械 工 业 出 版 社，2002 2 易 兵 ，张 发 兴 超 声 波 流 量 测 试 技 术 及 发 展 J 测 试 技 术 学 报 ， from DAC AD1409 A2 B1 to ADC AD1409 Selected from DSP B2 图 10 超声波换能器功能切换的实现 1995 ，9 （1 ）：1418 3 赵 鑫 ，金 宁 德 相 关 流 量 测 量 技 术 发 展 J 化 工 自 动 化 及 仪