摘要：針對時差式超聲波流量計在實際工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境下會出現(xiàn)精度不高，抗干擾能力弱的情況，提出了一種基于脈沖群相關法的時差式超聲波流量計設計方案。以 TDC 計時芯片的高精度計時為基礎，運用脈沖群相關法提高超聲波流量計的精度和穩(wěn)定性，同時采用包絡線自診斷的方法解決了波形畸變負面影響的問題，增強了時差式超聲波流量計的抗干擾能力。通過在 MATLAB 上進行仿真，以及在超聲波流量計實驗平臺上進行實際測量，結果驗證了方案的可行性。
Abstract:The methodology for designing the ultrasonic flowmeter based on pulse cluster correlation and time difference is proposed．The accuracy and the stability of the ultrasonic flowmeter are improved,with the TDC timing chip in high preci-sion and the methodology of pulse cluster correlation employed．Simultaneously,the problem about the negative effect of waveform distortion is solved by means of the self－diagnostic methodology of the envelope curve,and the anti－interference ability of the ultrasonic flowmeter based on time difference is enhanced．
Keywords:ultrasonic flowmeter,methodology of pulse cluster correlation,self－diagnosis of envelope curve
為了更好地解決超聲波流量計在工業(yè)應用中的難題，本文借鑒了電平比較法和互相關法各自的優(yōu)勢，創(chuàng)造性地提出了脈沖群相關法。脈沖群相關法由于采用高精度計時芯片計時^［⁶^］，其計時精度可以達到幾十 ps 級別，同時脈沖群相關法的使用還使其具有很高的穩(wěn)定性，計算也較為簡單，實時性強。在此基礎上，增加包絡線自診斷方法，彌補了脈沖群相關法不能克服嚴重波形畸變影響這一缺點，這就使得時差式超聲波流量儀表在工業(yè)環(huán)境應用中也能保持高精度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，對于工業(yè)生產具有重大的意義。

1、脈沖群相關法原理：
脈沖群相關法的測量原理是用一個適當?shù)拈撝敌盘杹斫厝〕暬夭ㄐ盘枺?nbsp;這樣就能得到一組占空比由小到大再由大到小的一組脈沖序列，然后利用精度能夠達到幾十 ps 級別的高精度的 TDC 計時芯片準確將脈沖序列中各個脈沖時間點測量并采集下來，如圖 1 所示。

圖 1 脈沖群獲取示意圖
其中 t₁ 至 t₆ 表示閾值截取回波的時間點。這實際上也是將超聲回波信號極性化的過程^［⁷^］。假設閾值為 c，那么得到 x₀（t）和x₁（t）的符號函數(shù)為：

sgn［X₀	（t）］＝ ≥¹^，^X⁰				（t）≥c	（1）
		0，X		0	（t）＜c
				0
sgn［X₁	（t）］＝ ≥¹^，^X¹				（t）≥c	（2）
		0，X		1	（t）＜c
				1
離散的極性數(shù)字相關函數(shù)為^［⁵^］：
				T
^RsgnX₀ sgnX₁ ^（^τ^）^＝		1	乙₀sgn［X₀ （t－τ）］sgn［X₁ （t）］dt			（3）
^RsgnX₀ sgnX₁ ^（^τ^）^＝		T	乙₀sgn［X₀ （t－τ）］sgn［X₁ （t）］dt			（3）

（τ）的峰值點即可確定 x₀（t）

和 x₁（t）的時間差 τ 的值，***后通過圖 2 所示的模型以及公式(4)算得流量。
圖 2 超聲波流量計工作原理圖

圖 2	超聲波流量計工作原理圖

	2			2
Q＝Sν＝	πD	ν＝	πDc tgα		τ	（4）
	4			8

上式中，Q 為流量，S 為管道截面積，ν 為管道中水實際流速，D 為管道直徑，α 是換能器的連線與管道軸線的夾角，c 為聲速。
圖 3 超聲回波包絡線

圖 3 超聲回波包絡線

為了進一步提高基于脈沖群相關法的時差式超聲流量測量技術的穩(wěn)定性及抗干擾能力。因此，本文提出一種包絡線的自診斷方法，判斷出波形的畸變程度，并對畸變波形產生的錯誤數(shù)據(jù)進行修正或舍棄。其原理為，通過高速 AD 采樣芯片對回波信號進行 AD 采樣，得出超聲回波的包絡線，如圖 3 所示；通過包絡線判斷回波是否有畸變，如圖 4、圖 5 所示；及其對渡越時間測量的影響，從而剔除或修正由于波形畸變而產生的偏離真實值較大的數(shù)據(jù)。這樣就能保證脈沖群相關法所使用的數(shù)據(jù)均為反映真實流速值數(shù)據(jù)。

圖 4 正常的超聲回波圖 5 波形畸變的超聲回波

圖 4 正常的超聲回波
圖 5 波形畸變的超聲回波

2、軟硬件系統(tǒng)設計：
下面將圍繞驗證所需的硬件與軟件系統(tǒng)展開設計與說明。

2．1、硬件架構圖：
圖 6 為系統(tǒng)的硬件架構圖。系統(tǒng)主要由兩塊單片機控制，MCU （1）控制的是 TDC 計時芯片進行渡越時間的計時，MCU（2）控制 AD 采樣模塊對回波進行 AD 采樣。 MCU（2）對波形采樣數(shù)值進行包絡線分析后，將分析結果送給 MCU（1），MCU（1）依據(jù)收到的分析結果對 TDC 計時數(shù)值進行修正或舍棄，***終算出流量值并顯示。

2．2、軟件流程圖：

圖 7 為軟件系統(tǒng)運行的流程圖，其中 a 是 TDC 計時部分的流程圖，b 是 AD 采集部分的流程圖。軟件系統(tǒng)工作過程為：首先 MCU1 和 MCU2 進行初始化，然后 MCU1 對 TDC 芯片工作模式進行設置，MCU1 向 TDC 芯片發(fā)送一次測量命令。 TDC 完成一次測量，同時 MCU2 控制 AD 采樣模塊完成對回波信號的采樣。 MCU1 收到測量結束信號后，讀取 TDC 測量值，同時接收MCU2 送過來的采樣值并進行包絡線自診斷，依據(jù)自診斷結果對測量值進行修正，并將***終的流量測量結果進行顯示。

圖 6 硬件結構圖

圖 6

硬件結構圖

圖 7 軟件流程圖

3、仿真及實驗結果：

3．1、仿真驗證本文借助 MATLAB 平臺，主要驗證了脈沖群相關法的可行性。圖 8 表示順逆流回波信號經(jīng)過標準相關法后相關函數(shù)波形。圖 9 表示順逆流回波信號經(jīng)過極性化后，通過脈沖群相關法所得的相關函數(shù)波形。其中超聲波信號（1）表示順流回波信號，超聲波信號（2）表示逆流回波信號。標準相關法和脈沖群相關法所得的波形的峰值重合，這就證明了脈沖群相關法的可行性。

3．2、實驗驗證：
圖 8 互相關法仿真圖圖 9 極性相關函數(shù)仿真圖

圖 8 互相關法仿真圖

圖 9 極性相關函數(shù)仿真圖

由于渡越時間的測量是衡量超聲波流量傳感器穩(wěn)定性和精度的***重要指標，本文重點是脈沖群相關法對于渡越時間計時的精度以及穩(wěn)定性，因此本實驗選擇在 DN50 口徑的管道上進行零流速下渡越時間差的測量，一方面比較使用脈沖群相關法和使用基于閾值比較法的時差法兩者的穩(wěn)定性，另一方面衡量脈沖群相關法所測得的零點渡越時間差與理想零點之間的誤差。

如表 1 所示，通過比較兩種測量方法在零點時候測量數(shù)據(jù)的方差，可以發(fā)現(xiàn)脈沖群相關法的穩(wěn)定性要優(yōu)于基于閾值比較法的時差法的穩(wěn)定性。
表 1 兩種方法測量值方差比較

表 1 兩種方法測量值方差比較
如表 2 所示，脈沖群相關法所測得的零點渡越時間差平均值為 55ps，與理想零點相比差值為在 100ps 以內，并且***大值與***小值之間的差值在 100ps 以內，誤差較小。

表 2 脈沖群相關法測量零點渡越時間差

4、結束語：
通過 TDC 計時芯片的級聯(lián) （通過 MAX35101 級聯(lián)可以把測量的脈沖序列由 6 個擴展到 11 個）以及使用后續(xù)將要面世的更高性能的 TDC 計時芯片（比如即將面世的 GP30 可以測量30 個脈沖序列），可以將測量精度以及穩(wěn)定性提高到一個更高的水平，本系統(tǒng)性能還具有很大的提升空間。

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基于脈沖群相關法的時差式超聲波流量計

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