一种结合幅度与脉宽调制的超声波控制方法与流程

本发明涉及超声波仪器仪表技术领域，尤其涉及一种结合幅度与脉宽调制的超声波控制方法。

背景技术：

随着近年来人们对环境保护意识的提高，天然气作为一种清洁优质能源得到越来越多的应用，天然气行业的发展也越来越快。天然气行业主要计量仪表以罗茨表与涡轮表为主，但是这些传统仪表具有对计量气质要求高、维护频繁、维护费用高、智能化程度低等缺点，这些弱点都会制约天然气行业的快速发展。

气体超声波流量计与差压式仪表、容积式仪表以及传统速度式仪表等相比，具有宽量程比、智能化、易安装，低成本、高精度、使用寿命长、低维护成本等优点。目前被广泛应用于以下领域：1)天然气高压长输管线及省、市级分输站计量管理；2)城市燃气计量管理；3)天然气煤层气开采利用；4)液化天然气及液化石油气；5)大型工业用气计量管理；6)高炉煤气和焦炉煤气计量；7)其它节能减排气体排放计量等。

气体超声波流量计在应用环境中，随着换能器老化、脏污及工况压力温度等因素的变化，超声换能器的发出波形也会发生变化(例如：压力增大波形幅度会增加，而随着换能器老化或者换能器表面脏污波形幅度会变小等)，因此采用合理的超声波波形自动增益控制方法，把超声波幅度控制在合理的范围之内，对实现流量计精确计量和长期稳定使用非常重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决气体超声波流量计在应用环境中，因为超声波换能器老化、脏污以及工况压力温度变化等因素导致的波形幅度在实际使用中会发生变化，如果不对超声波波形进行合理的增益控制，波形幅度可能会超出接收回路能够识别的范围，从而导致流量计无法正常使用的问题，提供一种能够把超声波幅度控制在合理的范围之内，确保流量计能够精确计量和长期稳定使用的结合幅度与脉宽调制的超声波控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种结合幅度与脉宽调制的超声波控制方法，包括超声波发生模块、超声波接收模块、微处理模块、时间脉宽采集模块，所述的超声波接收模块包括波形增益控制电路，所述的波形幅度增益控制电路包括高速运放、数字电位器，所述波形幅度增益控制电路由微处理模块控制，通过调节数字电位器的码值来调节波形幅度增益；所述的超声波发生模块、超声波接收模块、微处理模块、时间脉宽采集模块相互连接，所述的超声波控制方法包括如下步骤，1)所述的微处理模块控制超声波发生模块产生超声波信号；2)所述的超声波接收模块、时间脉宽采集模块分别接收超声波信号；3)所述的超声波接收模块接收到超声波信号后产生波形轮廓线与峰值，所述的微处理模块采集波形轮廓线与峰值后运行幅度调制算法，并通过波形增益控制电路调整超声波幅度；4)所述的时间脉宽采集模块接收到超声波信号后产生波形脉宽，所述的微处理模块采集波形脉宽后运行脉宽调制算法，并通过波形增益控制电路进一步调整超声波幅度。

作为优选，所述的超声波发生模块包括超声波激发模块、超声波换能器，所述的超声波激发模块包括开关功率管，所述超声波激发模块在微处理器模块的控制下产生超声波激发信号并传递给超声波换能器，所述的超声波换能器在收到激发信号后产生超声波信号并向外发送。

作为优选，所述的超声波接收模块还包括波形接收电路、波形脉宽转换电路；所述的波形接收电路由接收通道控制电路和接收端超声波换能器组成，所述波形接收电路接收来自超声波发生模块的超声波信号；所述的波形脉宽转换电路包括运算放大器及比较器，所述波形脉宽转换电路将超声波信号和基准电压信号vref进行比较并转换成方波信号。

作为优选，所述的时间脉宽采集电路包括时间计量芯片，所述时间脉宽采集电路通过配置时间计量芯片可采集多个时间数据并将这些数据传给微处理模块，所述的微处理模块计算出时间和脉宽差，所述的时间计量芯片为tdc-gp21、tdc-gp22。

作为优选，所述的微处理模块为单片机、arm、dsp处理器中一种，所述微处理模块包括轮廓线及峰值采样电路，所述的轮廓线及峰值采样电路由微处理模块内自带的ad、轮廓线产生电路、峰值保持电路组成，所述的轮廓线及峰值采样电路可采集超声波波形的轮廓线以及峰值。

作为优选，步骤3)中所述的幅度调制算法包括如下过程：31)判断超声波信号的幅度，直接利用采集到的峰值作为波形幅度，或者，取轮廓线最高点幅度80％以上的点的幅度计算平均值作为波形幅度；32)计算增益调节量，超声波信号幅度控制范围是[vl,vh]，vm是vl和vh的中点，波形幅度计算完成后判断其是否处于幅度范围[vl,vh]内，若是，则退出波形幅度调制，进入脉宽调制；若否，则根据当前幅度计算增益调节量，计算公式为p＝(vm-vo)/vo*100％，p为增益调节百分比，vo为当前波形幅度；33)下写波形增益，通过修改数字电位器的电阻实现增益变化，下写前需要将增益调节量转换成电位器相应电阻对应的数字量，公式为d1＝d0*(1+p)，d0是电位器当前的数字量，d1是电位器新的数字量，p是增益调节量；34)继续执行32)和33)的步骤直至超声波信号波形幅度满足要求。

作为优选，步骤4)中所述的脉宽调制算法包括如下过程：41)判断累计计数值，如果没有达到预设的累计计数值，则继续下一步骤42)，否则进行步骤44)；42)累计信号幅度，微处理模块对信号幅度直接做累加，记录累计计数值为n次；43)累计脉宽差值，脉宽差值的计算方法是：tw1＝t2-t1，tw2＝t3-t2，△tw＝tw2-tw1，t1是t0～t1的时间数据，t2是t0～t2的时间数据，t3是t0～t3的时间数据，tw1是t1～t2的脉宽值，tw2是t2～t3的脉宽值，脉宽值计算好后，记录累计计数值为n次；44)达到预设的累计计数值后，计算信号幅度和脉宽差值的平均值，并通过平均值的方法减小偶然误差；45)判断幅度平均值是否满足幅度范围[vl,vh]，如果满足，直接进入下一步，如果不满足范围，重新进入幅度调制；46)判断脉宽差值是否满足脉宽差值范围[twl，twh]，如果满足返回步骤41)，否则继续下一步；47)脉宽差值结合pid方法算出增益调节量p＝d；48)下写波形增益，通过修改数字电位器的电阻实现增益变化，下写前需要将增益调节量转换成电位器相应电阻对应的数字量，电位器数字转换公式为d1＝d0*(1+p)，d0是电位器当前的数字量，d1是电位器新的数字量，p是增益调节量；49)返回步骤41)。

本方案的有益效果是：结合了幅度调节和脉宽调节两种调节方式，可互相弥补缺陷；幅度调节速度快，但是精准度不高；脉宽调节精度高，但缺点是容易错波；本方案先通过幅度控制使波形幅度控制在设定范围，防止脉宽调节的错波风险，然后通过脉宽调制精准控制超声波，从而达到互相弥补缺陷的效果。

附图说明

图1是本发明的一种原理示意图。

图2是本发明的脉宽调制示意图。

图3是本发明的幅度与脉宽调制流程结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步解释说明：

如图1、图2、图3所示，一种结合幅度与脉宽调制的超声波控制方法，包括超声波发生模块、超声波接收模块、微处理模块、时间脉宽采集模块，超声波接收模块包括波形增益控制电路，波形幅度增益控制电路包括高速运放、数字电位器，波形幅度增益控制电路由微处理模块控制，通过调节数字电位器的码值来调节波形幅度增益；超声波发生模块、超声波接收模块、微处理模块、时间脉宽采集模块相互连接，超声波控制方法包括如下步骤，1)微处理模块控制超声波发生模块产生超声波信号；2)超声波接收模块、时间脉宽采集模块分别接收超声波信号；3)超声波接收模块接收到超声波信号后产生波形轮廓线与峰值，微处理模块采集波形轮廓线与峰值后运行幅度调制算法，并通过波形增益控制电路调整超声波幅度；4)时间脉宽采集模块接收到超声波信号后产生波形脉宽，微处理模块采集波形脉宽后运行脉宽调制算法，并通过波形增益控制电路进一步调整超声波幅度；

超声波发生模块包括超声波激发模块、超声波换能器，超声波激发模块包括开关功率管，超声波激发模块在微处理器模块的控制下产生超声波激发信号并传递给超声波换能器，超声波换能器在收到激发信号后产生超声波信号并向外发送；

超声波接收模块还包括波形接收电路、波形脉宽转换电路；波形接收电路由接收通道控制电路和接收端超声波换能器组成，波形接收电路接收来自超声波发生模块的超声波信号；波形脉宽转换电路包括运算放大器及比较器，波形脉宽转换电路将超声波信号和基准电压信号vref进行比较并转换成方波信号；

时间脉宽采集电路包括时间计量芯片，时间脉宽采集电路通过配置时间计量芯片可采集多个时间数据并将这些数据传给微处理模块，微处理模块计算出时间和脉宽差，所述的时间计量芯片为tdc-gp21、tdc-gp22；

微处理模块为单片机、arm、dsp处理器中一种，微处理模块包括轮廓线及峰值采样电路，轮廓线及峰值采样电路由微处理模块内自带的ad、轮廓线产生电路、峰值保持电路组成，轮廓线及峰值采样电路可采集超声波波形的轮廓线以及峰值。

具体实施过程是：气体超声波流量计在进行使用前，需要对超声波换能器产生的超声波进行调整优化，具体步骤如下：1)微处理模块控制超声波发生模块产生超声波信号；2)超声波接收模块、时间脉宽采集模块分别接收超声波信号；3)超声波接收模块接收到超声波信号后产生波形轮廓线与峰值，微处理模块采集波形轮廓线与峰值后运行幅度调制算法，并通过波形增益控制电路调整超声波幅度；4)时间脉宽采集模块接收到超声波信号后产生波形脉宽，微处理模块采集波形脉宽后运行脉宽调制算法，并通过波形增益控制电路进一步调整超声波幅度；

其中，步骤3)中幅度调制算法包括如下过程：31)判断超声波信号的幅度，直接利用采集到的峰值作为波形幅度，或者，取轮廓线最高点幅度80％以上的点的幅度计算平均值作为波形幅度；32)计算增益调节量，超声波信号幅度控制范围是[vl,vh]，vm是vl和vh的中点，波形幅度计算完成后判断其是否处于幅度范围[vl,vh]内，若是，则退出波形幅度调制，进入脉宽调制；若否，则根据当前幅度计算增益调节量，计算公式为p＝(vm-vo)/vo*100％，p为增益调节百分比，vo为当前波形幅度；33)下写波形增益，通过修改数字电位器的电阻实现增益变化，下写前需要将增益调节量转换成电位器相应电阻对应的数字量，公式为d1＝d0*(1+p)，d0是电位器当前的数字量，d1是电位器新的数字量，p是增益调节量；34)继续执行32)和33)的步骤直至超声波信号波形幅度满足要求；

步骤4)中脉宽调制算法包括如下过程：41)判断累计计数值，如果没有达到预设的累计计数值，则继续下一步骤42)，否则进行步骤44)；42)累计信号幅度，微处理模块对信号幅度直接做累加，记录累计计数值为n次；43)累计脉宽差值，脉宽差值的计算方法是：tw1＝t2-t1，tw2＝t3-t2，△tw＝tw2-tw1，t1是t0～t1的时间数据，t2是t0～t2的时间数据，t3是t0～t3的时间数据，tw1是t1～t2的脉宽值，tw2是t2～t3的脉宽值，脉宽值计算好后，记录累计计数值为n次；44)达到预设的累计计数值后，计算信号幅度和脉宽差值的平均值，并通过平均值的方法减小偶然误差；45)判断幅度平均值是否满足幅度范围[vl,vh]，如果满足，直接进入下一步，如果不满足范围，重新进入幅度调制；46)判断脉宽差值是否满足脉宽差值范围[twl，twh]，如果满足返回步骤41)，否则继续下一步；47)脉宽差值结合pid方法算出增益调节量p＝d；48)下写波形增益，通过修改数字电位器的电阻实现增益变化，下写前需要将增益调节量转换成电位器相应电阻对应的数字量，电位器数字转换公式为d1＝d0*(1+p)，d0是电位器当前的数字量，d1是电位器新的数字量，p是增益调节量；49)返回步骤41)；

本方案先通过幅度控制使波形幅度控制在设定范围，防止脉宽调节的错波风险，然后通过脉宽调制精准控制超声波，从而达到互相弥补缺陷的效果，把超声波幅度控制在合理的范围之类，对实现气体超声波流量计精确计量和长期稳定使用非常重要。