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抑制气体超声波流量计零点漂移的互易性电路设计

时间:2018/04/24来源:未知

摘    要:

针对气体超声波流量计信号衰减严重、干扰较大的问题, 设计了一种适用于气体超声波流量计的互易性收发电路, 以消除零点漂移现象提高流量计的测量准确度。换能器配对实验和温度实验表明:互易性测量系统显著改善了流量计的零点漂移问题, 并具有良好的测量稳定性。

0 引言

零点漂移现象不仅影响超声波流量计 (USMs) [1]测量结果的稳定性, 更严重影响流量计在小流量时测量准确度。通过设计互易性收发电路, 使超声波测量系统工作在互易模式下是解决零点漂移问题的有效途径。根据电声互易理论, 若系统工作在互易模式下, 则在零流速, 顺逆流接收信号的幅值和相位将会完全一致, 故而系统的零点误差和零点漂移也会被完全消除。1982年, Hemp J首先将电声互易原理引入到超声波流量计测量领域, 并对其进行了证明[2]。2002年, Van Deventer J等人指出在非互易性操作的情况下, 换能器的参数的改变会造成零点漂移现象[3]。2006年, Borg J等人设计了一种脉冲电流源的激励电路, 改善了流量计的零点漂移现象[4]。2007年, Lunde P等人通过理论计算给出了超声波流量计互易性电路阻抗匹配的设计准则[5]。2013年, Bo Y等人设计了一种适用于液体超声波流量计的互易性收发电路, 有效地增强了顺逆流接收信号的一致性[6]。

本文在首期研究基础上首次将互易性电路的设计应用于气体超声波流量计中, 设计了一种阻抗匹配的气体超声波流量计收发电路, 实现了互易性气体超声波流量计测量系统, 进行了静态下不同换能器的配对实验和温度实验。

1 互易性电路设计

电路的设计应当从发射电路和换能器直接连接的一级信号接收处理电路入手, 实现阻抗匹配[7]。

1.1 发射电路

超声波在气体中的衰减比较严重, 为了得到信噪比较高的接收信号, 就需要给换能器较大幅值的脉冲激励。本文发射电路如图1所示。在该电路中, T1为高频变压器, 变比为1︰3, M1, M2, M3, M4为功率MOSFET, 依次控制 (M1, M3) 和 (M2, M4) 两组MOSFET导通即可通过推挽, 在变压器原边得到峰峰值为30 V的方波信号。S为模拟开关, 导通电阻值为RA, 用以切换换能器。变压器的使用将电路原本在变压器原边的等效阻抗换算到变压器副边后变为原来的9倍。两组MOSFET导通时的导通阻值之和同为0.108Ω。则变压器副边的等效阻抗为RM=9×0.108≈1Ω。RS为匹配电阻器。因此, 电路的等效阻抗ZS可由式 (1) 计算

 

计算公式

 

图1 发射电路原理

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1.2 接收电路

超声波初级接收电路如图2所示。主要由模拟切换开关和电压跟随电路组成。接收电路中使用的模拟开关与发射电路使用的模拟开关相同, 其导通阻值可以完全抵消。在电压跟随电路中, 运算放大器的放大倍数足够大, 在分析电路时可以认为, 运放两输入端的电位近似相等, 流过运放输入端的电流近似为零。接收电路的等效阻抗就可以看成模拟开关的导通阻值与匹配电阻RL的和, 而与后序的放大处理等电路无关。即

 

计算公式

 

对比式 (1) 可以发现, 只要设置合适的值使RS+RM与RL的值相等, 即可实现阻抗匹配。在一般情况下, RM不足1Ω的阻值对结果的影响可以忽略, 只要匹配合适的RS与RL的值使其相等即可实现理论上的阻抗匹配。

图2 接收信号原理

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2 电路实现和实验结果

2.1 实验测量系统

超声波流量计测量系统如图3所示。测量系统使用MSP430249作为处理器。接收到的超声波信号经过放大, 自动增益控制等将信号放大到标准大小, 通过双阈值法处理信号, 以特征过零点作为信号的到达时钟。计时模块采用高分辨率测时芯片TDC—GP21, 测量精度可达22 ps, 保证了时间测量的精度要求。测量系统还包括按键, 液晶显示, 存储器等外围模块。

流量计管节的内径为100 mm, 2只超声波换能器呈45°安装于管节的两侧。系统通过RS—485通信实时测得的流量传输到PC端。在实际静态实验中使用了互易 (系统1) 和非互易 (系统2) 2套测量系统来验证互易电路设计的有效性。在系统1中, 发射电路和接收电路均采用前文设计的电路, 匹配阻值设置为RS=RL=2 kΩ。系统2使用的发射电路去掉了匹配电阻, 即RS=0, 在接收电路模块, 将换能器直接与一级放大电路相连接。其他模块两系统完全一致。测量系统使用4个频率为125 k Hz的方波作为激励信号。分别进行了换能器配对实验和温度实验以验证互易系统对零点问题的改善。

图3 超声波流量计测量系统整体构架

图3 超声波流量计测量系统整体构架   下载原图

 

2.2 换能器配对实验

换能器的差异是产生零点误差问题的直接原因。图4给出了在不同换能器配对的情况下, 系统1和系统2在室温 (20℃) 下的静态测量流速值。实验共使用了4个AT120系列的超声换能器, 故共产生6种不同的配对情况。分别记录两系统在使用6对不同换能器时的静态测量值。每次记录时间为6 min, 测量结果通过RS—485通信实时传到PC端, 计算6 min的测量平均值作为***终的零点测量值。

图4 换能器对比实验测量结果

图4 换能器对比实验测量结果   下载原图

 

由图4可以看出, 在不同换能器配对的情况下, 系统1的零点测量值较系统2的测量值小得多。系统1在不同配对情况下测得的零点流速均小于0.002 m/s。根据超声流量计检定规程JJG 1030—2007的规定[8], 气体超声波流量计的零点误差不能超过0.012 m/s, 1级精度的气体超声波流量计在分界流量以下的测量误差不能超过2%。气体超声波流量计一般可以测量的***小流速为0.3 m/s, 则在此流速下超声波流量计的***大可允许测量误差为±0.006 m/s。实验中, 系统1的零点测量误差值小于流量计的***大可允许测量误差, 满足测量的精度要求。

2.3 温度实验

温度是在超声波流量计的实际应用中影响换能器性能的重要因素, 也是造成零点漂移问题的原因之一。图5给出了在不同温度下, 系统1和系统2使用同一对换能器在静态下的测量流速值。在该实验中, 系统1和系统2使用同样的管节和同一对已经配对的换能器, 测量管节被放置在恒温箱中, 通过改变温箱的设定温度来改变管节所处的温度。待温度稳定后, 分别记录两系统的静态测量值, 记录方法与前述实验相同。

图5 温度实验测量结果

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由图5可得:在不同温度下, 系统1测量值的变化范围为-0.002 6~0.000 1 m/s, 系统2测量值的变化范围为-0.002 6~0.003 3 m/s。系统1测量值的变化范围较系统2小了1倍, 说明系统1对于温度漂移问题具有抑制性。在实验的温度范围内, 系统1零点测量值的温漂变化范围同样小于***大可允许测量误差, 满足测量的精度要求。

3 结论

设计了一种阻抗匹配的收发电路, 实现了测量系统的互易性。进行了实际的换能器配对实验和温度实验, 在人为改变流量计所使用的换能器性能和流量计所处温度的情况下, 互易性系统的零点测量误差均小于0.003 m/s。完全满足超声流量计检定规程JJG 1030—2007的要求。实验结果验证了电路设计的有效性, 体现出互易性超声流量计测量系统对于零点误差和零点漂移问题的抑制性。


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