流量測量中超聲波信號的穩定性設計

曹曉華，孫 潔

（華北理工大學 電氣工程學院，唐山 063009）

流量測量系統中，超聲信號的發射與接收設計將直接影響系統功能的實現。超聲波換能器的材質和氣體介質兩者的特性阻抗相差甚遠，造成換能器發射和接收效率太低。一般情況下，接收換能器從空氣中接收到的超聲波，只有0.0126%的聲能透過換能器表面被轉換為電信號，因此對超聲信號的收發要求很高。設計時主要考慮共振頻率、最大峰—峰電壓和共振阻抗等因素，為使機械能的轉換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率點上，即要求發射部分的共振頻率和接收部分的共振頻率都應與換能器的固有頻率相同[1]。同時信號的處理也很關鍵，本文采用最小二乘法，并經過試驗論證。

1 超聲信號的發射電路

圖1所選用的超聲換能器用于氣體測量，其最佳工作頻率為300 kHz。故由單片機發出的300 kHz方波信號UIN，經過驅動、功率場效應管IRF、變壓器升壓，最后加到換能器兩端，使換能器能夠工作在它的共振頻率上，進而向空間定向發射同頻率的超聲波。R3又與C1形成RC時間常數，所以R3又不宜太大，否則會影響發射波形的質量。R3可以起到負反饋的作用，使場效應管的漏極電壓趨于穩定。C1與變壓器B的初級線圈形成LC諧振，保證其實現最大功率的輸出。線圈B的匝數比為5∶80，變壓器B的輸出電壓約300 Vpp[2]。

圖1 超聲波的發射電路Fig.1 Transmitting circuit of the ultrasonic

2 超聲信號的接收電路

設計的超聲流量計要求能夠適合不同管道直徑的測量，而且在管道內氣體流速改變時，超聲換能器所接收到的信號經放大、檢波等處理后應保證信號幅度不變。這就要求對接收信號進行AGC即自動增益控制，使得信號弱時自動增大運放的增益，而當接收信號強時又能自動降低運放的增益。通過可變增益運放AD603、超聲信號的峰值檢測電路以及單片機的PWM輸出3部分，再結合軟件的處理，形成一個閉環控制系統，完成了超聲信號輸出的穩幅，保證了最終測量精度[3]。

由于被測介質在管道中的流速是可變的，如果接收到的超聲信號的幅度隨著流速的改變而改變，時間測量結果就會產生誤差。為使接收信號的幅度在氣體流速變化時仍能保持不變，就需對接收信號的幅度進行控制，即在接收信號強時，減少運放的增益；在接收信號弱時，增大運放的增益，從而達到接收信號保持穩幅輸出的目的。

圖2 AGC電路原理圖Fig.2 Principel diagram of the AGC

圖2中AGC電路由可變增益運放AD603、高速鎖存器74HC74、高速比較器MAX991、MSP430單片機以及有源整流濾波器MAX4132組成。其中高速比較器MAX991的比較電壓設定為1.8 V，以保證AD603能夠輸出±1.8 V的正弦波形，即當AD603輸出波形的最大值超過1.8 V時，高速比較器就會發生翻轉，產生一個上升沿，然后由高速鎖存器把此沿鎖住。這兩部分被稱為峰值檢測電路。

3 超聲波流量測量的軟件非線性校正

進行氣體流量的實際測量時，系統本身存在的非線性會對最終測量結果引入很大誤差，必須采取措施加以校正。超聲流量測量大約有0.05的非線性度，它主要由包括傳感器在內的硬件固有傳輸時間引起，可用軟件對其進行非線性校正。校正的精度將直接影響測控系統的總精度。對單片機來說，最小二乘法是一個較佳的選擇方案，它是一種基于梯度變化量的計算來求得最優解[4]。

理論上講，管道中的空氣實際流量Q與超聲流量計的示值Q′之比應保持為1，就是經非線性補償后的理想結果。但在非線性校正之前的數顯值Q″輸出量與空氣實際流量Q輸入量并不總是相等，與上述理想直線之間約有5%的非線性度，可表示為

式中：r為滿度非線性度；Qmax為流量計的滿量程值。

非線性校正之前，將超聲流量計的全量程有效范圍平均分為11個測試點，對每一個測試點分別做5次等精度空氣測量。其中每點每次都可以得到一對顯示值：標準風速v和超聲流量計示值Q″。再對每一個測試點的5次等精度測量結果取算術平均值，可得量程內11點上的平均測試數據vi和Qi″。經人工計算又可以把vi轉換成空氣體積流量Qi。

再設超聲流量計的輸出—輸入特性曲線Q—Q″曲線坐標圖像上的理想擬合直線為

式中：k為理想直線的斜率，待求常數；b為理想直線的截距，待求常數。

為了求出k和b之值，可以給出11個測試點上的各個絕對誤差表達式：

依據最小二乘法原理，令各誤差的平方和最小，方可得到理想直線。設s為其平方和，于是有：

將上式對k和b分別取一階偏導數，并令其等于零，兩式中的Qi″和Qi均為已知測試數據量。解出式中的k和b之值，可以表為

通過實驗室數據記錄，求出k=0.6，b=5.3。所有數據經過單片機軟件線性化校正后輸出，實驗結果表明，效果良好。此外，管道內氣體的壓力、氣體溫度、氣體密度都會對測量結果產生一定的影響，有時會很大，不得不對這些影響量作補償處理，才能實現流量測量的精度指標，限于篇幅，本文不做介紹。

4 實驗結果

為了衡量樣機的穩定性，在實驗室做了以下試驗：

1）實驗條件：常溫（23℃）、常壓（一個大氣壓）

2）氣體介質：空氣

3）實驗設備：長為1 m、直徑為0.3 m的有機玻璃管道，兩側分別插入超聲探頭，與氣體流速成45°方向對置，兩個超聲探頭的距離置為30 cm，一臺最大風速為10 m/s的引風機。表1為所測得的實驗數據。

表1 不同風速時所測實驗數據Tab.1 Measured data in different speed of the wind

由表1可知，樣機在長時間的實驗中，在暫定的量程內，滿度誤差小于1%；非線性誤差經軟件線性化校正后的誤差為5‰；外界干擾引起的粗大誤差可由程序判斷并剔除。樣機的穩定性非常好，實現了預期的技術指標，反映了整機在硬件及軟件上的設計水平是相當高的。

5 結語

通過上述實驗論證可知，設計的整套控制方案，實現效果良好，尤其經過AGC控制電路，實現了接收信號的穩定；再加上一系列的軟硬件控制措施，能夠對管道氣體的瞬時流量和累積流量進行精確的測量，并能實現氣體介質、氣體壓力以及氣體溫度3種影響量的誤差自補償。

[1]韓莎.超聲波流量計的測量原理和應用[J].工業計量，2012（S2）：64-66.

[2]張興紅，張慧，陳錫侯，等.一種精密測量超聲波傳輸時間的方法[J].北京理工大學學報，2011，31（6）：717-721.

[3]ANALOG DEVICES.Low Noise，90MHz Variable-Gain Amplifier AD603[Z]，2002.

[4]王曉俊，周杏鵬，徐凱，等.基于改進相差法的超聲波微流量檢測[J].東南大學學報：自然科學版，2011，41（6）：1202-1207.