基于離散時差檢測的流量計不同步計數誤差補償技術

江境宏，劉桂雄，黃 堅

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

基于離散時差檢測的流量計不同步計數誤差補償技術

江境宏，劉桂雄，黃 堅

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

為縮小計數誤差、提高流量標準裝置計量精度，基于離散時差檢測提出一種無需信號預處理的流量計不同步計數誤差補償技術。首先，根據多工位流量計脈沖計數原理，提出基于時差檢測的計數誤差補償機理；其次，根據流量計脈沖離散信號特性，推導得多工位脈沖計數誤差補償的離散形式；最后，在具有4臺流量計的多工位流量計標準裝置中實現工程應用，并進行模擬試驗與工程應用試驗。結果表明：在脈沖信號周期穩定的模擬試驗中，經補償后脈沖計數誤差小于0.0077個，在工程應用中，經補償后脈沖計數誤差小于0.0432個。

流量計；脈沖計數補償；多路不同步信號；離散時差

0 引 言

脈沖計數是測試計量領域中廣泛使用的一種技術手段，以脈沖信號形式輸出的儀器儀表遍布工業生產、實時監測、自動化控制等領域，對脈沖信號進行補償，提高儀器儀表精度等級一直以來備受國內外學者關注。脈沖信號計數精度提升方法主要有相位測量補償法、多周期同步法、時間-數字轉換器（time to digital convert，TDC）方法。相位測量補償法將脈沖信號進行預處理轉換為諧波，計算量較大[1]；廣州能源檢測研究院通過提取基波相位的方法，對3路不同步脈沖信號進行精度補償，計數誤差小于0.06[2]；文獻[3]提出級聯自適應陷波器，實現離線估計周期脈沖信號相位，對2路不同步脈沖信號進行補償，其脈沖計數誤差優于±0.045個；Liu等[4]基于時間-頻率測量算法變換實現同步相位測量法，準確獲取不同步采樣情況下電壓、電流的基波相量；多周期同步法通過同步被測信號和閘門信號消除被測信號計數時存在的±1計數誤差，但時基信號仍存在±1計數誤差，難以進行多路測量[5]；張朋[6]提出基于時間戳計數與多周期同步的頻率瞬變測量算法，減小由時基信號±1計數誤差引入的測量誤差，提高計數精度。TDC通過設計電路測量時間殘基，提高時間測量精度，進而提高脈沖信號計數精度[7-8]，目前TDC時間測量精度已達皮秒級[9-12]。為實現多路不同步脈沖信號高精度計數、減小計算量，提出一種基于離散時差檢測的流量計不同步計數誤差補償技術。

1 多工位流量計脈沖計數誤差補償技術

1.1 多工位流量計脈沖計數誤差補償機理

圖1為多路不同步脈沖與閘門信號波形圖，以閘門信號的上升沿為i路脈沖計數起止時刻，由于每路信號上升沿時刻與閘門起止脈沖上升沿時刻不重合，采用上升沿計數法得到測量值存在±1以內計數誤差。

圖1 多路不同步脈沖與閘門信號波形圖

多路不同步脈沖計數補償可通過測量起止時刻與相鄰脈沖上升沿時間差，計算補償計數值，減小計數誤差。

圖2 第i路脈沖計數補償示意圖

圖2為第i路脈沖計數補償示意圖。設第i路信號在閘門起止時間段內檢測到脈沖個數值為Nip、補償計數值為Nic，則在該時間段內精確計數值Ni為

設閘門信號起止時刻分別為ts、te，其各自相鄰第i路脈沖上升沿出現時刻為ti0、ti1和ti2、ti3。則按上升沿計數，ts～ti1和 te～ti3時間段內需補償脈沖個數nis、nie，有：

則第i路脈沖信號最終補償計數值Ni為

若能獲取閘門信號起止時刻ts、te及其各自相鄰第i路脈沖上升沿時刻ti0、ti1和ti2、ti3，由式（1）即可得到第i路信號補償后脈沖計數值Ni。

1.2 多工位流量計脈沖計數誤差補償實現

目前計算機及嵌入式系統，較適合處理離散信號[13]，通常將模擬量經由多路模數轉換器轉換為數字信號，再進行計算[14]。圖3為圖1的多路不同步脈沖與閘門信號波形的離散形式。

對采集到的離散數據進行處理，設置上升沿穿越電平閾值為AT，則上升沿判定條件為

設g0（n）起止上升沿數據點分別為ns、ne，有：

記閘門起止信號相鄰第i路脈沖上升沿數據點分別為ni0、ni1和ni2、ni3，易知：

令數據采集卡各通道采樣周期為Tc，由數據采集卡采樣原理可知第i路計數補償值Nic為

則第i路脈沖計數值為Nip為

于是第i路脈沖信號最終補償計數值Ni為

則式（6）為多工位流量計脈沖計數誤差補償的離散形式，只需要獲取如圖3多路信號，即可實現計數補償。根據離散數據判定的上升沿時刻與原始信號上升沿時刻存在偏差，當采樣頻率遠大于原始信號頻率時，偏差遠小于流量計輸出脈沖信號周期，可忽略不計。

圖3 多路不同步脈沖與閘門數字信號

2 試 驗

2.1 模擬試驗

使用信號發生器生成脈沖信號，經100分頻后，進行計數與補償；則原始信號的1/100為脈沖計數實際值。圖4為脈沖計數補償技術效果驗證原理圖。

圖4 脈沖計數補償技術效果驗證原理圖

信號發生器使用Tektronix AFG2021-SC，以RC電路輸出5 V閘門信號，數據采集卡選用阿爾泰PCI8602（最高采樣頻率250kHz）。圖5為脈沖計數補償算法流程圖。

圖5 脈沖計數補償算法流程圖

在實驗時長約100s、3路信號上升沿穿越電平閾值AT3V、數據采集卡單通道采樣頻率10000Hz的條件下，以信號發生器生成幅值4V、占空比為10%、頻率分別為20，60，100，200Hz的脈沖信號。表1為多次脈沖計數補償模擬試驗結果，可知沒有補償得到結果計數誤差較大（±1以內），補償后計數誤差小于0.0077個，補償效果顯著。

2.2 工程應用試驗

研制的水流量標準裝置共設置4臺流量計（標準流量計、被檢流量計各2臺），配置阿爾泰PCI8602型數據采集卡，接入4路流量計輸出脈沖信號及換向裝置的1路閘門信號，實現4路脈沖信號的計數補償。

表1 脈沖計數補償模擬試驗結果

表2 脈沖計數補償工程應用試驗結果

將標準流量計分別在6.0，3.0 m3/h的不同流量下各進行多次檢定試驗，根據圖4，采集標準流量計輸出脈沖信號、換向裝置輸出閘門信號，進行計數補償驗證效果。令AT=3V、數據采集卡各通道采樣頻率fc=40kHz，表2為脈沖計數補償工程應用試驗結果，可以看出，經補償后計數誤差顯著降低，在±0.043 2個以內，補償效果理想。

3 結束語

1）本文提出一種基于離散時差檢測的流量計不同步計數誤差補償技術，信號無需進行預處理，即可實現多路不同步脈沖信號補償。

2）在具有4臺流量計的多工位流量計標準裝置上，嵌入基于離散時差檢測的流量計不同步計數誤差補償算法實現工程應用，并進行模擬試驗與工程應用試驗。在周期穩定的脈沖信號中算法補償后計數誤差小于0.0077個，在脈沖周期振蕩的工程應用中，算法補償后計數誤差小于0.0432個。

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（編輯：劉楊）

Asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection

JIANG Jinghong，LIU Guixiong，HUANG Jian
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to reduce counting error and improve the measurement accuracy of flow device，an asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection which does not require preprocessing procedures is proposed.Firstly，according to the pulse counting principle of multichannel flowmeters，a counting error compensation technique is delivered based on discrete time difference detection.Then，the discrete form of pulse counting error compensation for multi-position is derived in view of the characteristic of pulse discrete signal of flowmeter.At last，engineering applications and simulation tests are conducted in a multi-station meter standard device with four flowmeters.The results show that，in the simulation tests of pulse signal with steady periodic，the pulse counting error after compensating is less than 0.0077，and in engineering applications，the pulse counting error after compensating is less than 0.0432.

flowmeter；pulse counting compensation；asynchronous signal；discrete time difference

A

：1674-5124（2017）01-0023-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.005

2016-08-15；

：2016-09-28

廣東省省級科技計劃項目（2016A040403044）

江境宏（1992-），男，廣東揭陽市人，碩士研究生，專業方向為智能傳感技術與網絡化測控。