用门延迟法提高超声波流量计的测量精度

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Gate-delay M ethod to Achieve Accurate M easurement of Ultra-sonic Flow GaugeWANG Jia-xiang，CAO Nao-chang，WANG Ying(Colege of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xian 710038，China)Abstract：A New method was presented to achieve accurate time-interva1.Through measuring the transmission delaygate circuit of CPLD in internal，an accurate flow measurement in smal size pipeline and low flow occasion was re-alized.The accurate measurement of temperature was reached by measuring the discharge time of circuit.The exper-iment has proved that its accuracy can reach 300ps.This method has more accuracy and less error calculation thanthe common one.This method also meets the requirement of low consumption。

Key words：thermal meter；super sonic flow meter；gate delay；low consumption随着流量测量范围的扩大，被测流体种类的多样性 ，对流量计的适应性提出了较高要求 ，超声波流量计得到了广泛地应用。而超声波流量计的测量精度撒于对时间差的准确测量 ，怎样在不提高测量成本的前提下提高时间差的测量精度成为较难解决的问题。本文介绍了-种门延迟法来提高超声波流量计的测量精度，使其在不提高系统成本的前提下满足国标要求。

1 超声波流量计工作原理超声波流量计示意图如图 1所示 ，换能器 TR1和 TR2均是收发两用换能器，距离为 ，管内液体的流 速为 V，百 先 由 TR1发 射趟 声 坡 ，TR2援 收趟声波，传播时间为tl；控制切换电路将 TR1与TR2功能互换，TR2发射，TR1接收，传播时间为 t ；如设超声波在静止液体中的传播速度为 C；根据公式 L、 2 ，求出时间差 △为△ttl-t2 ，顺逆流传播平均时间tL 丁tt2， 由于c>> ，因此得 兰 ，屯 兰 L， 所 以 C，导出A拄孕 ： 。

收稿 日期：2012-07-13：修订日期：2012-10-09作者简介：王加祥(198O-)，男，讲师，研究方向为信号与信息处理。

自动化与仪表203(t) 困 图 1 超声波流量计示薏图Fig.1 Schematic diagram of ultra-sonic flow gauge在固定式超声流量计中。由于 为常数，而 C不是-个固定参数，它受温度压力的影响而变化，因此推导时消去 G，进-步提高了精度。流量为， 、 1TD 1TD 可D L At .、了 (nn/s)式中：D为管道直径；五为管内平均流速； 为修正系数。

由上式可以看出流量 Q的测量准确度撒于时间差 ，因此.为了得到高准确度的 Q，必须提高时间的测量精度。例如设 D2 on，LIO cm，要求每小时能够测量出20 L的流量，则 At 1.23 BS.可看出，时间分辨率高低，直接决定了测量的准确度。

2 时间间隔测量方法超声波流量计的计量精度撒于对时差的测量精度，因此，高精度的时差测量系统是流量计的核心部件。传统的精密时间测量技术大致有以下几种方法：直接计数法、扩展法、时间幅度转换法、游标法。最近论文中研究的有专用进位连线实现时间内插法 、抽头延迟线法。本文使用-种在扩展法的基础上发展出的门振荡延迟法。

在各种门电路结构中.非门是工艺结构最简单的-种门电路 ，在不考虑工艺差别的情况下。电流通过-个门电路所用的时间应为最短。本文选择非门电路作为传输线的延迟.结构如图2所示。

图 2 非 门延迟微时间测量原理 图Fig.2 Principle diagram of micro-time measurementof not-gate delay为了减少延迟线长度，降低设计复杂度.利用数字电路中奇数个非门通过 自身延迟则可组成-个闭环振荡器的结论，本文在该振荡器的基础上设计扩展出-个时间测量电路 。

田Start信号高电平触发启动非门振荡器振荡输出高频频率信号，该信号经过多次分频后进入频率计数器。当Stop信号进入触发停止振荡器并锁存振荡器、分频器、计数器结果信号。该振荡器、分频器、计数器结果信号进行合成计算后即可得到时间值。

由于 CMOS门延时振荡器与工艺参数 、供电电压和温度高度相关 ，因此这样的振荡器需要经常校准以减小误差。该电路中设计了校准电路，测量以精确的32.768 kHz时钟为基准～ 32.768 kHz的时钟引出Start/Stop脉冲，启动测量基准时钟两上升沿之间的时差♂果存储在结果寄存器中。则单个门延迟的平均时间 r为～ - - 257墨 5 ， 、- · 1·2· 2 ·2. 2十 3 P式中：M。为频率计数器值； 为分频值 ； 为振荡环所计值； 。为分频次数； 为振荡环非门数。通过内部运算即可得到单个门延迟的平均时间。

实验发现，在不同温度环境下单非门延迟时间不同，图3为分别在 25℃、5O℃、75℃环境下的单非门延时。

15 2O 25 30 35 40 45 50 55 60测量次数图 3 不同温度 下的单非 门延时Fig.3 Single not-gate delay in diferent temperature理论上温度越高，电子的活跃程度越大，非门延迟时间变短，由图3可以看出。温度越高非门延迟时间越短，实验结果与理论-致。不同温度时非门延迟时间不同，故为了得到稳定精确的测量结果，不能使用固定的非门延迟，因此每次测量待测信号时先测量 32.768 kHz的基准时钟，通过基准时钟计算出单个非门的延时时间，再测量待测信号，这样则可消除温度对测量精度的影响，得到精确的测量结果。

图 4为在不同温度下，先测基准时钟 .再测待测信号，测得的待测信号时间，由图4可以看出，通过此r r L r L. L L [ 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O ∞d，鲁 C 斟方法可以消除温度对测量精度的影响。实验计算得出该时间间隔测量方法的分辨率优于 250 ps，考虑到干扰、温度影响和器件差别 ，其测量分辨率应优于 300 ps。在大测量范围应用中只要增加频率计数器的计数长度则可.且不影响频率分辨率。

厘留心坦犀妲图 4 不 同温度下待测信号测量值Fig.4 Signals in diferent temperature校准测量时需注意.虽然 32.768 kHz时钟的频率非常精确.误差只是百万分之几。然而峰-峰值之间的相位抖动大约有 3～5 ns。因此校准测量本身就具有误差。所以当测量结果乘以校准结果时，测量结果就会产生抖动。测量结果的抖动幅度是校准时抖动幅度乘以校准测量时间与被测时间的比值。如果不间断地进行校准，校准值就会使测量结果产生大的抖动。因此对校准测量时刻的选择有-定要求 ，如在超声波流量计中，测量结果由超声波在流体中顺流传播和逆流传播这两次单程的传播时间测量组成。根据逆流传播和顺流传播的时差，可计算出流体的流量。为避免校准时钟抖动对测量结果的影响，在测量顺流传播时间和逆流传播时间时必须使用同-校准值。这样超声波顺、逆流传播的时差才会不受校准时钟抖动的影响。时钟校准必须在顺流和逆流之间进行，而且在它们没有相减之前。

在超声波测量中，为了保证检测信号的有效性，对测量的传播时间进行范围控制。预期到达信号的范围门是根据每-声路的长度和流经测量断面的流量范围预期信号最早和最晚到达的时间确定的。该最早和最晚到达时间用来定义三个门：噪声门、范围门及溢出门。如图5所示。在最早到达时间的0.6倍处打开接收信号通道，这样可防止发射脉冲给接收信号带来的干扰及其它干扰。在最早到达时间的0.8倍处开始等待接收信号，在这之间为自动亿s仪表 2013(1)噪声门，它可排除开关动作带来的干扰。在最晚到达时间的 I.5倍处关掉接收通道，此处为溢出门。噪声门与溢出门之间为范围门。确定信号接收范围在- 定程度上有效抑制了噪声的干扰。同时，在设计中加入自动增益调节电路，调节顺逆流信号的大小，使两信号大小-致，保证触发的-致性。

最早 到达 时 最早到达 时间 最晚 到达 时间 O.6倍处 ，o.8倍处 ，允 许 间 1 5倍处 ，开接收通道 接收信号 关接收通道图 5 信号检测范围Fig.5 Signal detection range将范围门内的信号经过-个中心频率为 1 MHz左右的高 Q值的3节滤波器阎，它主要滤除换能器接收回来的超声波中的干扰噪声。使触发器更容易对信号进行准确触发，触发产生的脉冲信号送人CPLD，进而使CPLD能更加准确地测量出超声传播的时差。

3 流量的测量和低功耗的实现将流量计接入标准校验台，通过实验得出-组测量数据如表 1所示。

表 1 流量 标准值 与测量值Tab.1 Standard value and measured value of flow标准值/(m3.h )测量值，(m ·h )标准值/(rn3.h )测量值/(m3.h )根据上两组数据比较发现 ，标准值与测量值之间存在差值.通过应用数学上的最小二乘法的理来加以分析，两组数据都可以看作是-个 Yf(t)的函数 ，所以可设 厂( )at btc，应用 MATLAB的polyfit拟合拈对两组数据进行运算可求得 Ⅱ0.4612、bO.6914、c-0.0781将修正参数 a、b、C输入设计样表，再次测量，结果如表 2所示。

表2 拟合校准后流量标准值与测量值Tab.2 Fiting flow standard value and measured value标准值/(m3·h- )测量值/(m3·h )标准值/(ms·h- )测量值/(ms·h )田 由表 2可以看出经过拟合后的测量值都在 2%之内.达到国标要求I21。

功耗是流量计的-个重要指标，流量计的国标规定电池的使用寿命最短为 5年。对于整个系统功耗的测算主要是对电路器件耗电电流的估算。该流量计的数据采集间隔为0.5 s，工作 250 s，那么在- 个 1 min采样周期内，将进行 120次超声测量。时差测量是流量计系统最耗电的部分.除此之外的其它活动耗电很少，甚至大部分时问处于休眠状态，因此将与开启传感器有关的工作过程定为热量表的有效工作过程。由于在-个采集周期 1 rain内，120次超声测量所占用的时间不超过 30ms，及每小时工作 1.8 s。CPLD、单片机[51、滤波电路全部工作测量电流约为 70 mA。本系统采用了-节 3.6 V的2.75 Ah的锂电池供电.对于2.75 Ah的电池容量，如果系统供电为 3.6 V、电流为 2.75 A，则锂电池可以连续供电1 h：对于本系统连续不问断工作时间为：2.75 A/70 mA39 h，即该系统可工作 78000 h，约3250天，-年中约供暖5个月 150天，不供暖时按- 半耗能计算，那么该表可工作 12.7年。

4 系统可实现性和性能分析流量计的各关键部分都已有比较成熟的器件，系统实现并不困难。影响测量精度的几个关键地方是。从超声回波信号中提取触发信号的精度、时钟的稳定度、恒压源的稳定度、顺逆流信号的-致性。

准确地从回波信号中提取触发信号非常重要，尤其是回波顺逆流信号不-致 。且脉冲在经过水内紊流、层流、水的粘度改变等作用后，脉冲波形产生了变化，这就使触发信号的提取增加了难度，利用高 Q值的滤波器进行前级滤波，提高提取触发计时信号的精度。高稳定度的时钟、恒压源都比较容易得到，门延迟测量与温度、CPLD速度相关，CPLD选定后速度-定，温度的影响可以通过不间断校准消除，通过实验得到系统精度优于 300 ps.测量误差小于0.01 m ，系统采用低功耗器件，使用时间超过国标规定。

提出了采用 CPLD门延迟测量的新方法。并对其原理、实现方法、可靠性、性能指标进行了探讨。经过理论分析、计算仿真、产品测试表明。这种方法可以显著地提高了超声波流量计系统的时间分辨率，有效地提高了测量精度。