超声波气体流量测量系统的实现

1、2006年第25卷第1期传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogy超声波气体流量测量系统的实现邱立存,王汝琳(中国矿业大学机电学院,北京100083摘要:超声波气体流量计因为其具有许多优点,在工业上获得越来越广泛的应用。超声波气体流量测量需应用一种新的流量测量技术,因为超声气体流量计工作在噪声较强的场合,且信号微弱。超声波气体流量计信号不能用传统的方法检测,在此,数字平均技术及相关技术得到应用,数字平均技术可使信号得到加强,相关技术可使渡越时间测量更精确,流量测量精度可达±2%。关键词:超声波气体流量计;数字平均;相关中图分类号

2、:T H814文献标识码:A文章编号:1000-9787(200601-0047-03 Reali zati on of ultrason i c gas flow measure ment syste mQ I U L i2cun,WANG Ru2lin(Sch of M ech Elct&I nfo Eng i n,Ch i n a Un i versity of M i n e&Technology,Be iji n g100083,Ch i n aAbstract:U ltras onic gas fl owmeters are increasingly becom i

3、ng accep ted f or app licati ons in industry now.This is because ultras onic gas fl owmeters technol ogy has many advantages.A ne w technique of fl ow measure ment is app lied in ultras onic gas fl owmeter.The ultras onic gas fl owmeters operate in the surr oundings where noise is str ong,and its si

4、gnal is very weak.The signal of ultras onic gas fl owmeters can not be detected by conventi onal method.So digital averaging and correlati on techniques are app lied.The accuracy of ultras onic gas fl ow measure ment can reach±2%with the ne w technique.Key words:ultras onic gas fl owmeter;digit

5、al averaging;correlati on0引言超声波气体流量计是20世纪90年代中期才快速发展起来的新型流量测量技术,在发达国家正获得越来越广泛的应用。由于在传感器与气体之间的声阻抗不匹配,这导致接收信号微弱,且超声波气体流量计工作在有噪声环境中(如控制阀门产生的噪声,有时信号会淹没在噪声中,这就需要用更有效的传感器提高声阻抗匹配及更有效的信号处理技术。所以,超声波气体流量计的开发不能再用液体超声波流量计中使用的传统信号检测方法,必须采用新的方法,对于单声道测量系统流量的测量精度最高可以达到±1%1,本系统精度要求为±2%。1超声气体流量计原理2在讨论信号检测原理

6、之前,有必要先了解超声波渡越时间的测量方法。超声波气体流量计的原理相对简单,与液体超声波流量计基本相同,其原理如图1。时差法超声波流量计主要是测量超声波脉冲信号从发射传感器发射后到接收传感器之间的渡越时间,渡越时间t12为从传感器1到传感器2顺流时的超声信号传播时间,渡越时间t21为超声信号由传感器2到传感器1逆流时的收稿日期:2005-06-21图1气体超声波流量计原理F i g1Pr i n c i ple of ultra son i c ga s flow flow m eter传播时间。由于气体的流动,t12要略小于t21。设L为两传感器间直线距离,可得t12=Lc+VXL,t21=

7、Lc-VXL,(1式中X为径向距离,m;c为气体声速,m/s;V为气体传播速度,m/s;L为声程长度,m。解气体速度V可得V=L22Xt21-t12t21t12.(2解气体声速c可得c=L2t21+t12t21t12.(374传感器与微系统第25卷由此通过测量X,L,t12,t21就可计算气体流速及声速。无气体流动时的平均渡越时间是管道尺寸及声速的函数。如果管道直径为300mm,在每一方向典型渡越时间在毫秒数量级,当气体流动时,渡越时间之差非常微小,在低速时,也就在几个纳秒数量级,所以,渡越时间的精确测量至关重要的。气体流量与管道内平均流量的关系为Q=V A,(4式中Q为体积流量,m3/h;A

8、为管道横截面积,m2;V为平均流速,m/s。2时差测量方法2.1数字平均在传感器工作频率范围之外的噪声可通过带通滤波去除。在工作频率范围内,噪声要用数字平均的方法(噪声压缩处理。这方法是基于噪声是随机成份,而信号是固定不变的,这样,数字平均的结果可使噪声消除,而信号得到加强。按统计规律,噪声信号的消弱是按数字平均次数的平方根来降低的,例如:当超声波发射传感器发射同样信号16次,被接收传感器接收到后,进行累加平均,可以使噪声信号降低为原来1/4,即信噪比提高4倍。当然,数字平均次数越多,就需要越长的反应时间来进行数据的采集,当时间太长时,会对信号的固定性产生影响,因信号可能会随流速的改变而变化,

9、事实上,当流速变化很快时,数字平均处理的效果不是很理想,这需要根据实际情况进行折中,一般数字平均次数不会超过32次。2.2相关技术对于时差法超声波流量计需要精确及可靠的技术来测量超声波信号的传播时间,为保证测量的精度,由式(2可知,2个时间需进行精确测量:(1一个是渡越时间t12,t21的时间差,对于低流速时,只有几个纳秒大小;(2另一个是渡越时间的绝对值,其值大小取决于所测管道直径。虽然经数字平均技术的处理可以降低信号中的噪声含量,但仍不能完全消除,所以,不能采用液体流量计的电平比较式的时间测量方式,需用相关技术来进行测量,采用相关法测量时差最大的优点在于其对噪声的免疫性3,这主要是由于噪声

10、信号间不具有相关性,所进行相关运算时,其结果基本上不受噪声的影响。结合合适的传感器技术,互相关技术可以用来测量超声波的绝对传播时间及渡越时间差。3测量系统的实现超声气体流量测量系统框图如图2。在此,人机界面及对外接口用51系列单片机P89C668完成,而实施流量处理要进行高速相关运算,采用DSP芯片T MS320C5402。系统的关键技术在信号的采集及数据的处理。图2超声气体流量测量系统框图F i g2Block d i a gram of ultra son i c ga s flowm ea sure m en t syste m3.1信号采样AD9220是12位并行A/D采样芯片,其最高

11、A/D转换速率可以达到10MB/s,由于AD9220的信号电平为5V TT L电平,而T MS320C5402的为3.3V C MOS电平,如果直接将AD9220的信号接到T M S320C5402上,有可能会对处理器造成永久性损害,因此,在两者之间增加了74LVTH245总线隔离器,由它进行信号电平的转换;采用并行数据接口则必须在DSP分配相应的地址,这就要求增加外部地址译码电路;A/D采集芯片进行采集时要求有采样时钟驱动,高速采集系统是通过对DSP的C LK OUT时钟输出引脚分频产生,系统设计采样率为10MB/s。采样数据准备好信号,作为中断信号源向DSP提出中断申请,进行转换结果处理。

12、由于A/D转换速率高达10MB/s,DSP 需及时将转换结果存储起来,为达到如此高的转换速率,数据采集时,DSP工作于DMA方式,所有时序的控制由CP LD 芯片EP M7064A产生。信号采样电路见图3。图3信号采样电路F i g3S i gna l s am pli n g c i rcu it3.2数据处理由前述可知,在气体超声波流量计上,应采用数字平均84第1期邱立存等:超声波气体流量测量系统的实现及相关技术对采样数据进行处理,为此,采用T M S320C5402DSP保证运算能力,同时,为保证数字平均技术所需求的大容量存储器,使用CY7C1041V33256k16位大容量RAM存储器

13、对DSP进行存储空间扩展。数字平均技术采用32次数字平均处理,使其信噪比增加15d B。图4(a为受到严重噪声干扰的超声波信号;图4(b为经32次数字平均后得到的信号,噪声得到大大压制,基本恢复原发射信号形状,可以满足相关计算的需要。图4含有噪声信号数字平均处理效果F i g4Result of d i g it a l averag i n g for si gna l w ith no ise为克服噪声的影响,时差测量采用相关处理方法。设两信号分别为s1(t,s2(t,互相关函数为C s1s2(t=+-s1(s2(-td=s1(ts2(t.(5假设s1(t,s2(t为相差时间的相同信号,即

14、s2(t=s1(t+,相关函数在t=时达到最大值,即通过求解相关函数的最大值,即可求得两信号的时差。相关计算可通过DSP对离散数据进行处理得到,但对大量数据进行逐点的相关运算,从而得到最大值产生时间来计算时差,其运算量非常大。为解决此问题,可以利用傅里叶变换,式(5的傅里叶变换为Cs1s2(f=F(cs1s2(t=F(s1(tF3(s2(t.(6逆变换为C s1s2(t=F-1Cs1s2(f.(7从而将相关运算转换为求两信号的傅里叶变换及相乘后的傅里叶逆变换,在相关运算结果中确定最大值对应时间,即为两信号时差。对于傅里叶变换,DSP完全能胜任,且有运算效率很高的现成软件可以利用,使相关运算变得

15、方便,利于时差测量的实现。由此方法计算的时差测量最大精度为信号采样周期间隔100ns(采样频率为10MHz,如此难以达到流量测量的对时间分辨力(几纳秒的要求,为此,采取了线性插值的办法提高时间测量分辨力,这样,把每一采样间隔分成100份,使时间分辨力达到1ns,满足流量测量要求。4实验结果流量测量系统实验结果见表1。表1实验结果(管径100mmTab1Result of exper i m en t(p i pe d i a m eter:100mm流速(m/s涡轮流量(m3/s超声流量(m3/s误差(%2.34.61-0.9由于测量系统采用单声道测量方式,由流体流速分布不对称造成的流速测量准

16、确度最高为±1%1。所以,单声道超声气体流量测量精度不会高于±1%。为此,实验中,采用精度为0.5%的涡轮气体流量计作为标准表,所测气体为空气,流量由直流风机调速改变,流量值为100次平均值,由表1可看出:流量测量在流速较低时误差加大,主要是由于流速低时时差测量相对误差加大。要继续提高流量测量精度,需采用多声道测量技术,对于5声道流量测量可以达到±0.3%的精度3。5结论通过数字平均技术及相关技术的应用,解决了气体超声波流量计的信号检测问题,使单声道气体超声波流量计获得±2%的精度,今后的重点应在信号噪声压缩方面寻找更有效的方法,降低其处理时间,增加仪器

17、的反应速度,为提高测量精度还可应用多声道测量方法。参考文献:1D renthen J G,de Boer G.The manufacturing of ultras onic gasfl ow metersJ.Fl ow Measure ment and I nstrumentati on,2001,(12:89-99.2Roosnek N.Novel digital signal p r ocessing techniques f or ultra2s onic gas fl ow measure mentsJ.Fl ow Measure ment and I nstru2mentati on,2000,(11:89-99.3B rassier P,Host