基于相关法的高精度超声波流量计的设计.docx
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基于相关法的高精度超声波流量计的设计
Automation&Instrumentation2011（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:
TH814
文献标志码:
B
DesignofUltrasonicFlowmeterwithHighPrecisionBasedonCorrelationAlgo-rithm
YANGZhou1,HANYu-jie1,WANGHong1,YANGShi-yuan1,FANShun-jie2
（1.DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.SiemensChina,Beijing100080,China
Abstract:
Ultrasonicflowmeterbasedoncorrelationalgorithmmakefulluseofinformationoftheultrasonicsignal,whichhastheadvantagesofhighprecisionandstrongfacultyofanti-noiseandsoon.Toinplementthecorrelationalgorithm,muchamountofcalculationinthesystemandconfigurableultrasonicsignalareneeded,whichaddsdiffi-cultyfordesign.TheauthordesignedanultrasonicflowmeterwithhighprecisionbasedoncorrelationalgorithmwiththecooperationofSiemenscorporatetechnology,whichusesaDSPasthedigitalcoretoinplementthecorrelationalgorithmathighspeed.Withneccessaryanalogcurcuitforconfigurablesignalandsampling,thesystemreachespre-cisionofnanosecondforpiplinewithsmallcaliberandlowflowrate.
Keywords:
ultrasonicflowmeter;correlationalgorithm;configurablesignal;analogcurcuit
收稿日期:
2010-12-24;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T1,逆流传输渡越时间为T2,则有:
T1=SC+V+τ
T2=SC-V
+τ
式中:
S为换能器间距;C为声波在静止液体中的传
播速度;τ为电路延迟;V为液体流速。
由于C>V,可得到:
T2-T1=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.1Principleofultrasonicflowmeterbasedonthe
methodoftimedifference
T2
T1
V
S
V
图2
超声波流量检测发、收波形
Fig.2Waveformofultrasonicflowmeter
（b
接收波形
10.80.60.40.200.20.40.60.8-150********0250300
10.80.60.40.200.20.40.60.850
100
150
200
250
300
x:
146y:
0.1529
t
1
t2
t3
Δt
15
Automation&Instrumentation2011（5
75MHz的高频采样,一个采样间隔的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t4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t4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的高速浮点运算
1.51
0.500.5-150********0250300
x:
148y:
0.1628
t3
图3叠加高斯噪声的超声波接收信号
Fig.3WaveformofultrasonicsignalwithGaussiannoise
图5叠加高斯噪声情况下相关法计算结果
Fig.5ResultofcorrelationalgorithmwithGaussiannoise
20151050-5
10152050
100
150
200
250
300
Δt
x:
135y:
19.8
10.80.60.40.200.20.40.60.8
10.80.60.40.200.20.40.60.850
100
150
200
250
300
Δt
（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.4Principleofcorrelationalgorithmfortime
difference
20151050-510152050
100150200250300
Δt
x:
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,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。
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1500pF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1500pF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[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1
DSP与DA、AD通讯的时序配合
Tab.1TimingofcommunicationofDSPandDA/AD
OE1/OE2Buffer_DABuffer_AD
DSP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.6Structureofultrasonicflowmeterbasedon
correlationalgorithm
外围控制
MPU数字核心模块
DSP
DAC
放大驱动
ADC
放大
滤波
MUX
数字电路部分模拟电路部分
键盘
屏幕
16bitBuffer_DA
16bitBuffer_DADSPRAM
32bit
OE1
OE2
DAC_1DAC_2
ADC_1ADC_2EMIF
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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
30mV~2V,对信号的可配置放大范围为1~64倍。
由于信号中心频率为500k~2MHz,在一般通用型运算
放大器频率带宽积有限的条件下,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.8Drivemoduleofultrasonicsignal
SFGOUT1
13142
116158
VssS1S2S3S4S5S6S7S8
VCCGNDENA0A1A2D
345671211109U002+5V
+12V
GPIO_A1GPIO_A2GPIO_A3
5001k1.5k2k2.5k3k3.5k4k
ADG1408
Cf15p
+12V
2356
8
1
-12V
U1
AD8065
R351k
Cf_15
Inductor47μH
7
4
-12V
350p
L15Cf_1722p
DI9GOUT_A
-12V+12V
R8_1300Ω
R8_220Ω
R8_320ΩR8_53k
R8_43k
D5IN4001
D6IN4001
U007BD237
U008BD236
R1R2R3R4R5R6R7R8SIGIN_A
1686111093
VEEXDX1
X2X3X4X5X6X7VCCGNDENABCX7131415121524U18
+5V
-5V
+5V
-5V
GPIO_A4GPIO_A5GPIO_A6
1k2k4k6k8k10k12k14k
74HC4051
C125p
+5V+5V
235
68
1
-5V
-5V
U2
AD8065R171k
C_ch1
CapP0131μ
Inductor47μHInductor47μH
C2231500p
L2Inductor47μH
L3C234350p
R361k
23568
1U3
AD8065
CF_18350p
L18SIGIN
1686
111093VEEXDX1X2X3X4X5X6X7VCCGNDEN713
14
15121524
U19GPIO_A4GPIO_A5GPIO_A6
1k2k4k6k8k10k12k14k
74HC4051
Cf3
5p
7
4
7
4ABCX
18
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。
SelectedfromDSP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。
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