电压与增益联合调节的超声波流量计研制

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超声波流量计作为无阻碍式流量测量仪器，因其安装方便、测量范围宽，在供水、石油 、化工及电力等行业被广泛应用。

超声波换能器驱动及接收电路是超声波流量计的关键组成部分 ，直接影响着超声波流量计的检测能力 ，如测量范围、测量精度及盲区大小等-.J。

以多声路时差法超声波流量计为研究对象，对超声波流量计的换能器驱动电路和控制方法进行研究，利用高速复杂可编程逻辑技术和现代电力电子控制技术 ，提出-种驱动电压与回波信号增益联合调节的超声波流量计设计方案。根据超声波流量计测量声路长短及回波信号幅值大小，调节各声路换能器驱动电压与回波增益，使接收换能器的回波信号幅值始终在- 个较小范围内变化，同时也能提高其信噪比，减少对接收电路增益动态范围的要求，从而降低接收电路设计难度。

时差法超声波流量计的测量原理如图 1所示。利用安装在管道或渠道上下游对称位置相向交替的2个换能器收发超声波信号，在某-时刻，上游的换能器发射超声波信号，下游的收稿 日期 ：2013-01-05 收修改稿日期 ：2013-04-22换能器接收超声波信号，而在另-时刻，下游换能器发射超声波信号，上游换能器接收超声波信号，通过计算超声波在流体中顺流传播时间和逆流传播时间的差值来间接测量流体的流速，再结合管道或渠道的截面参数来进行流量计算 。

图1 时差法超声波流量计测量原理超声波流量计在流体中的顺流传播时间和逆流传播时间的计算公式如下：- - - - - - C × cOs71.：---- - duc - a × cOs式中： 为超声波在流体中顺流传播时间； 为超声波在流体中逆流传播时间； 为平行于轴向的流体的平均速度；为声路长； 为声波路径与管道轴线之间的夹角；c为静水中的超声波Instrument Technique and Sensor Ju1.2013传播速度。

由上式推导出该流量计测量出所在声路的流体流速为：1/- f上 - 12×COSq d/由时差法超声波流量计测量原理可知，超声波流量计的性能主要撒于接收换能器能否正确接收到回波信号及传播计数的时间分辨率。

1 总体方案为使接收换能器能够接收到良好幅值的回波信号，以便进行硬件检波或数据采集，现有的设计方法始终关注接收电路设计或换能器匹配，旨在通过设计出宽增益调节范围的接收电路，以放大接收信号的幅值 ，使其达到检波要求 。J。实际测量中，检波电路除了对接收信号进行放大之外，同时也会对噪声进行放大。增加接收滤波电路虽然可以滤除大部分噪声，但滤波电路带宽之外的噪声依然存在，如果要提高回波信号的信噪比，需要设计非常复杂的滤波电路。另外，发射换能器的高压也会对接收信号产生较大的干扰，特别是在短距离声路内进行测量时，干扰尤其明显 ，甚至会淹没接收换能器的回波信号，导致超声波流量计的测量盲区过大。对于同-个超声波流量计 ，该研究旨在对回波信号增益 自动调节的同时，对换能器驱动电压也进行调节。当测量声路很短时，降低驱动电压，减少发射高压在线路上振荡，从而降低对接收信号的干扰，减小测量盲区；当测量声路很长时，提高驱动电压，增加发射功率，提高接收信号的幅值 ，以增加测量距离。

2 硬件设计驱动电压与回波增益联合调节的超声波流量计换能器驱动电路硬件总体结构如图2所示，主要由微控制器、发射电路和接收电路 3个部分组成。

微控制嚣-A/D i 。T I压I l 堂墨I!- I- 犁 三三三三 干- - -. 苎苎 -.1 l ：寸 崾 ：-- -1 竺竺竺H l 接收电路i2.1 微控制器微控制器是超声波流量计的中枢和核心，它由高速嵌入式处理器和高速可编程逻辑器件组成，负责参数设置、流程控制 、信号处理、高速计数 、流量计算 、数据保存及人机交互等各项功能。

2.2 发射电路发射部分包括4个单元电路 ，分别为可调升压电路、模数转换器(A/D)、发射驱动电路和脉冲隔离变压器。发射电路的工作原理为：微控制器根据预先设置的声路长，确定换能器驱动电压 ，即首先通过可调升压电路将驱动电路的工作电压预调到-定中等电压 ，然后根据所配置换能器的频率发射同等频率的脉冲信号给驱动电路，通过隔离变压器将中等电压经过-定的比例放大至电压 以驱动超声波换能器，同时启动高速传播计数拈 。

2.3 接收电路接收换能器接收到超声波回波信号 后，通过接收电路对其进行限幅、滤波后，分别发送至硬件检波电路和高速模数转换器(A/D)。硬件检波电路-旦检测到有效回波信号，触发高速传播计数拈停止工作并保存传播计数值。同时高速A/D对回波信号进行采集 、分析，与硬件检波电路结果-起作为实际传播计数的判断依据。在实际测量中，若声路太长，回波信号很微弱，可能在接收电路增益调节至最大时，仍然无法使回波信号放大至硬件检波或模数转换器(A/D)采集的理想幅值范围。此时可通过微控制器控制可调升压电路，提高中等电压，即提高驱动电压 ，以增大换能器的驱动电压和发射功率，使回波信号的幅值达到理想范围；若声路太短，接收信号信噪比过小，甚至淹没在噪声中，即使接收电路增益调节至最小 ，仍然难以分辨出有效回波信号，此时可通过微控制器调节可调升压电路 ，降低中等电压 ，即降低驱动电压 ，减少驱动电压对回波信号的干扰，同时进行回波增益调节，使回波幅值便于硬件检波和模数转换器(A/D)采集等。

3 软件设计超声波换能器驱动电压和回波增益的联合调节通过微控制器用 C语言编程实现 ，高速传播计数拈使用硬件描述语言 Verilog HDL实现 ，4 3。C语言控制流程如图3所示。

f设定驱动电压设定回波增益启动发射使能传播计数驱 I 工 驱 l启动接收电路I J - L检波停止传播计数，， - - - ～、 f结束 )图3 软件控制流程微控制器根据预先设定的声路长，预设可调升压电路的输出电压 和回波增益，测量时启动发射脉冲，把 通过脉冲变压器进行升压和隔离后，形成电压 以驱动超声波换能器，使其产生超声波信号，同时打开高速传播计数拈进行传播计第 7期 徐方明等 ：电压与增益联合调节的超声波流量计研制 31数。若接收电路接收到的超声波回波信号幅值 过小，达不到硬件检波或模数转换器(A/D)采集电平要求，则先提高接收电路的增益。但是若提高接收电路增益后，回波信号幅值或信噪比依然过小，则通过微控制器调节可调升压电路，提高其输出电压 ，即提高驱动电压 ，增加驱动电压和发射功率，从而达到提高回波信号幅值的目的。反之 ，若接收电路接收到的信号幅值过大或信噪比过小，则先降低接收电路的增益。但是若降低接收电路增益之后，接收信号幅值依然过大或噪声太大，则通过微控制器控制可调升压电路，降低其输出电压 ，即降低驱动电压 ，以达到降低接收信号幅值和减少驱动电压干扰的目的。通过几次反复调整，保证接收信号的幅值和信噪比处在合理范围内，便于硬件正确检波或模数转换器(A/D)进行采样。

4 试验结果与总结为了验证该方案的软硬件控制原理，该研究在声路长为1 m和1.5 m的水槽中设计安装了2对超声波换能器，将2个声路的换能器分别接人多声路超声波流量计的第-声路与第二声路中，通过软件设置使回波信号的第-个波峰值限制在0.8 V左右，正负半波的检波电平均设置为0.5 V.在驱动电压V：为相同 98 V的情况下，2个声路回波幅值稳定后的增益分别为 4.2与 10，回波波形分别如图4与图 5所示。

1.51.0之 0.5趔馨 0蔷-0l6- 1.O1.5L0之 0.5馨 0督05- 1.0- 1.6时间t圈5 1.5 m声路的回波波形(增益为1O，电压为 98 V)然后将2个声路的最大增益均限制在固定值5，回波信号幅值依然设置为0.8 V左右。1 m长的声路在增益放大至4.2之后，回波信号的第-波峰值基本稳定在0.8 V左右，波形基本与图4相同，此时驱动电压也为 98 V；而 1.5 m长的声路在增益放大至最大值5之后，回波信号的第-个波形幅值仅为0.33 V左右，如图6所示，达不到设定的0.8 V，第-个波峰漏检。此时软件根据所检测到的回波信号幅值大小，启动驱动电压调节功能，不断增加超声波换能器的驱动电压，同时判断回波信号幅值，使回波信号的第-个波峰值稳定在0.8 V左右，此时驱动电压增加至 142 V，回波信号波形如图 7所示。比较图4与图5的回波信号波形，信号被增益放大的同时，背景噪声同样被增益放大，而同时进行驱动电压的调节，可以有效降低回波信号的背景噪声的幅值强度，如图6和图7所示。

1.51.O之 o.5理馨 0盏(5- 1.O1.51.00.5埋馨 0营05- 1.0- 1.5图7 声路长为 1.5 m时的回波波形(增益为5，电压为142 V)由实验结果可知，研究提出的驱动电压与回波增益联合调节的超声波流量计设计方案，可以根据所测量的声路长短、回波信号幅值大邪其信噪比，进行换能器驱动电压和回波增益的联合调节，保证适当的驱动电压、回波信号幅值水平及其信噪比，从而增加测量范围、提高测量精度并减小测量盲区，扩大了超声波流量计的应用范围，在其他各类超声波流量测量方法中也有着重要的应用价值。