一种气体超声波流量计信号收发电路的制作方法

本发明属于流量测量技术领域。设计一种气体超声波流量计。

背景技术：

超声流量计作为新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型水利水电项目以及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。对于时差法超声波流量计而言，当所测的介质静止时，流量计测得的顺逆流传播时间应该相同，顺逆流的传播时间差应该为零。但是在实际应用中，由于超声波换能器的性能不完全一致等原因，在静态时，超声波流量计所测得的顺逆流传播时间差不总是为零，导致流量计在零流速时的测量值也不为零，造成零点误差问题。此外，超声换能器的性能往往会因为老化或者外界环境因素如温度、压力等变化而改变，而不同换能器性能的变化往往是不一致的，这就导致了超声换能器性能的差异会随着外界环境变化而变化，从而导致超声波流量计的测量零点随外界环境变化，造成零点漂移现象。在测量过程中，超声波流量计的零点误差和零点漂移会叠加在流量计测量结果上，严重影响流量计在低流速时的测量精度和测量可靠性，限制超声波流量计的精度等级。目前，国内外解决超声波流量计零点问题的方法主要是“干”标定法和温度修正法，这类方法实现起来成本高，周期长，普遍适用性差。利用电声互易理论设计互易性收发电路，使超声波测量系统工作在互易模式下是解决零点漂移问题的有效途径。

专利申请者认为，超声波流量计的零点漂移与顺逆流接收信号的一致性密切相关，是一个测量系统的互易性问题。根据电声互易理论，若系统工作在互易模式下，则在零流速下，顺逆流接收信号的幅值和相位将会完全一致，故而系统的零点误差和零点漂移也会被完全消除^[1]。接收电路和发射电路的等效阻抗匹配是实现超声波流量计测量系统互易性的有效方法，即若流量计的信号发射电路与接收电路等效阻抗相等则流量计工作在互易模式下，此时流量计测得的静态值必定为零^[2]。虽然已有学者曾尝试过使用阻抗匹配的互易性收发电路设计来消除超声波流量计的零点问题，但是该收发电路仅适用于液体超声波流量计。对于气体超声波流量计来说，超声波信号在声道传播过程中的衰减更为严重，已有方法不能直接应用于气体超声波流量计。

[1]Hemp J.Theory of transit time ultrasonic flowmeters[J].Journal of sound and vibration,1982,84(1):133-147.

[2]Lunde P,Vestrheim M,Bo R,et al.5d-4reciprocal operation of ultrasonic flow meters:Criteria and applications[C]//Ultrasonics Symposium,2007.IEEE.IEEE,2007:381-386.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以消除零点误差和零点漂移，提高超声流量计测量精度的阻抗匹配的气体超声波流量计信号收发电路。本发明的技术方案如下：

一种气体超声波流量计信号收发电路，包括发射电路和接收电路，其特征在于，

发射电路包括两个控制信号源V1、V2；变比为1:3的高频变压器T1；四个功率MOSFET：M1,M2,M3,M4，其中,M1、M3为P沟道增强型MOSFET，称为第一组MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET，称为第二组MOSFET；两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的；V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接；M1、M3管的s端口与电源正极相连接，d端口连接在高频变压器T1的两端，M2、M4管的s端口接地，d端口连接至高频变压器T1；通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，控制四个功率MOSFET管的导通情况；发射匹配电阻R_S、第一模拟开关S以及换能器串联连接在变压器副边；第一模拟开关S开关状态由处理器输出信号V₀控制；

在接收电路中使用的模拟开关，称为第二模拟开关，与发射电路使用的第一模拟开关相同；接收电路包括第二模拟开关S和后续的电压跟随电路，换能器与第二模拟开关S串联后和接收匹配电阻R_L一起并联连接在运算放大器的正向输入端。第二模拟开关S的开关状态由处理器输出信号V₃控制，用以切换换能器；运算放大器的输出端通过反馈电阻R连接至运算放大器的反向输入端，形成负反馈；接收电路中使用的第二模拟开关与发射电路使用的第一模拟开关相同；发射匹配电阻R_S与接收匹配电阻R_L相等。

本发明基于超声波流量计的电声互易理论，提供一种阻抗匹配的气体超声波流量计信号收发电路，实现测量系统的互易性，达到消除零点误差和零点漂移问题，可以提高超声流量计测量精度。

附图说明

图1时差法超声波流量计系统框图

图2发射电路原理图

图3初级接收电路原理图

图4互易和非互易测量系统结构框图

图5换能器对比实验测量结果

图6温度实验测量结果

图7 DN100互易性测量系统实流标定实验结果

图8 DN100非互易性测量系统实流标定实验结果

具体实施方式

一般时差法超声波流量计的系统框图如图1所示。本发明针对其中的发射电路和初级接收电路进行设计改进。

一：设计气体超声波流量计互易性发射电路，原理图如图2所示。

超声波在气体中的衰减比较严重，为了得到信噪比比较高的接收信号，需要给换能器比较大幅值的脉冲激励。图中，T1为高频变压器，变比为1:3，M1,M2,M3,M4为功率MOSFET，依次通过信号源V₁，V₂控制(M1，M3)和(M2，M4)两组MOSFET导通即可通过推挽，在变压器原边得到峰峰值为30V的方波信号。S为模拟开关，其开关状态由处理器输出信号V₀控制，导通电阻为R_A，用以切换换能器。变压器的使用会使电路原本在变压器原边的等效阻抗换算到变压器副边后变为原来的9倍。两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的为0.108Ω。则可计算其在变压器副边的等效阻抗为R_M＝9×0.108≈1Ω。R_S为设计的匹配电阻。因此发射电路的等效阻抗Z_S可由下式计算得。

Z_S＝R_M+R_A+R_S

二：设计气体超声波流量计互易性接收电路，原理图如图3所示；

该电路主要由一个模拟切换开关和一个电压跟随电路组成。接收电路中使用的模拟开关与发射电路使用的模拟开关相同，其导通阻值可以完全抵消。在电压跟随电路中，运算放大器的放大倍数足够大，在分析电路时可以认为，运放两输入端的电位近似相等，流过运放输入端的电流近似为零。这样接收电路的等效阻抗就可以看成模拟开关的导通阻值与匹配电阻R_L的和，而与后续的放大处理等电路无关。即接收电路的等效阻抗可以由下式计算得。

Z_L＝R_A+R_L

三：设置匹配电阻阻值。对比上述两式可以发现，只要设置合适的值使R_S+R_M与R_L的值相等，即可满足互易性测量的阻抗匹配条件，实现阻抗匹配。在一般情况下，R_M不足1Ω的阻值对结果的影响可以忽略，因此只要匹配合适的R_S与R_L的值使其相等即可实现理论上的阻抗匹配。

为验证本发明电路设计对于气体超声波流量计零点误差和零点漂移问题的抑制性，开展了静态下的换能器配对实验、温度实验和实流标定对比实验。在实验中使用了互易(系统1)和非互易(系统2)两套测量系统来验证互易电路设计的有效性。如图4所示，在系统1中，发射电路和接收电路均采用前文设计的电路，匹配阻值设置为R_S＝R_L＝2KΩ。系统2使用的发射电路为去掉匹配电阻即R_S＝0后的发射电路，在接收电路模块，将换能器接收直接与一级放大电路相连接。其他模块系统2与系统1完全一致。测量系统使用4个频率为125Khz的方波作为激励信号。

换能器的差异是产生零点误差问题的直接原因。在换能器配对实验中，一共使用了4个AIRMAR公司的AT120系列的超声换能器组成了6种不同的配对情况。在不同换能器配对的情况下，系统1和系统2在室温下(20℃)的静态测量流速值如图5所示。

结果表明，在不同换能器配对的情况下，系统1的零点测量值要比系统2的测量值小的多。系统1在不同换能器配对情况下所测得的零点流速均小于0.002m/s。根据超声流量计检定规程JJG 1030-2007的规定，气体超声波流量计的零点误差不能超过0.012m/s,1级精度的气体超声波流量计在分界流量以下的测量误差不能超过2％。气体超声波流量计一般可以测量的最小流速为0.3m/s，则根据鉴定规程，在此流速下超声波流量计的最大可允许测量误差为±0.006m/s。实验中，系统1的零点测量误差值小于流量计的最大可允许测量误差，满足测量的精度要求。

温度是在超声波流量计的实际应用过程中影响换能器性能的重要因素，也是造成零点漂移问题的原因之一。在温度实验中，系统1和系统2两测量系统使用同样的管节和同一对已经配对的换能器，测量管节被放置在恒温温箱中，通过改变温箱的设定温度来改变测量管节所处的温度。不同温度下，系统1和系统2的静态测量流速值如图6所示。

温度实验结果表明，在不同温度下，系统1测量值的变化范围为-0.0026m/s～0.0001m/s，系统2测量值的变化范围为-0.0026m/s～0.0033m/s。系统1测量值的变化范围比系统2小了一倍，体现出系统1对于温度漂移问题的抑制性。

零点误差和零点漂移问题最终反映在测量误差和测量稳定性上。最后进行实流标定实验以验证互易性超声波流量测量系统的测量稳定性及测量准确度。实流实验对DN100互易性(系统1)和非互易性(系统2)超声波流量计进行了标定。标定过程中前后直管段的长度分别为10D和5D。每个流速点进行三次标定测量，每次标定时间为120s。标定实验3m/s为分界流速，分别测量了流速为0.3m/s、0.5m/s、1m/s、3m/s、5m/s、10m/s、20m/s以及30m/s时两测量系统的测量误差。在不同时间段内一共进行了五次标定实验。两测量系统的五次标定实验的误差测量结果分别如表1和表2所示。结果对比图如图7和图8所示。

根据超声流量计检定规程JJG 1030-2007的规定，1级精度的气体超声波流量计在分界流速以上的测量误差应在±1％以内，分在界流速以下的测量误差应在±2％以内。实验结果表明，在测量流速点为0.3m/s时，DN100互易性测量系统的测量误差范围为-1.25％～0.5％，变化幅度为1.75％；而DN100非互易测量系统的测量误差范围为-1％～2.2％，变化幅度为3.2％。互易性电路设计在小流速时对测量系统的测量稳定性和准确度的改善效果明显。DN100互易性超声波测量系统在分界流速以下的测量误差均小于±2％，在分界流速以上的测量误差均小于±1％。测量系统在0.3m/s～30m/s的测量范围内测量精度满足国家1级测量标准的要求。

表1 DN100互易性气体超声波流量计五次标定试验结果

表2 DN100非互易性气体超声波流量计五次标定试验结果(空白地方为当次标定未测量该流量点)

下面对收发电路进一步说明

发射电路说明：

图中，T1为高频变压器，变比为1:3。M1,M2,M3,M4为功率MOSFET，其中,M1、M3为P沟道增强型MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET。V1、V2为控制信号源，V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接。M1、M3管的s端口与+15V电源端口相连接，d端口与变压器相连接，M2、M4管的s端口连接至地，d端口连接至变压器。通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，即可控制MOSFET管的导通情况。这样依次通过信号源V₁，V₂控制(M1，M3)和(M2，M4)两组MOSFET导通即可通过推挽，在变压器原边得到峰峰值为30V的方波信号。匹配电阻R_S、模拟开关S以及换能器串联连接在变压器副边。S为模拟开关，其开关状态由处理器输出信号V₀控制，导通电阻为R_A，用以切换换能器。变压器的使用会使电路原本在变压器原边的等效阻抗换算到变压器副边后变为原来的9倍。两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的为0.108Ω。则可计算其在变压器副边的等效阻抗为R_M＝9×0.108≈1Ω。R_S为设计的匹配电阻。因此发射电路的等效阻抗Z_S可由下式计算得。

Z_S＝R_M+R_A+R_S

接收电路说明：

该电路主要由一个模拟切换开关S和后续的电压跟随电路组成。换能器与模拟切换开关S串联后和匹配电阻R_L一起并联连接在运算放大器的正向输入端。模拟开关S的开关状态由处理器输出信号V₃控制，其作用同样是切换换能器。运算放大器的输出端通过电阻R连接至运算放大器的反向输入端，形成负反馈，这样整个运算放大器即构成一个电压跟随电路。接收电路中使用的模拟开关与发射电路使用的模拟开关相同，其导通阻值可以完全抵消。在电压跟随电路中，运算放大器的放大倍数足够大，在分析电路时可以认为，运放两输入端的电位近似相等，流过运放输入端的电流近似为零。这样接收电路的等效阻抗就可以看成模拟开关的导通阻值与匹配电阻R_L的和，而与后续的放大处理等电路无关。即接收电路的等效阻抗可以由下式计算得。

Z_L＝R_A+R_L