針對(duì)氣體超聲波流量計(jì)信號(hào)衰減嚴(yán)重、干擾較大的問題,設(shè)計(jì)了一種適用于氣體超聲波流量計(jì)的 互易性收發(fā)電路，以消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象提高流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)表明：互易 性測(cè)量系統(tǒng)顯著改善了流量計(jì)的零點(diǎn)漂移問題，并具有良好的測(cè)量穩(wěn)定性。

0.引言

零點(diǎn)漂移現(xiàn)象不僅影響超聲波流量計(jì)（USMs) 1測(cè)量 結(jié)果的穩(wěn)定性,更嚴(yán)重影響流量計(jì)在小流量時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度。 通過設(shè)計(jì)互易性收發(fā)電路,使超聲波測(cè)量系統(tǒng)工作在互易 模式下是解決零點(diǎn)漂移問題的有效途徑。根據(jù)電聲互易理 論,若系統(tǒng)工作在互易模式下，則在零流速,順逆流接收信 號(hào)的幅值和相位將會(huì)完全一致,故而系統(tǒng)的零點(diǎn)誤差和零 點(diǎn)漂移也會(huì)被完全消除。1982年,Hemp J首先將電聲互易 原理引入到超聲波流量計(jì)測(cè)量領(lǐng)域，并對(duì)其進(jìn)行了證 明0。2002年,Van Deventer J等人指出在非互易性操作的 情況下，換能器的參數(shù)的改變會(huì)造成零點(diǎn)漂移現(xiàn)象3。 2006年,Borg J等人設(shè)計(jì)了一種脈沖電流源的激勵(lì)電路，改 善了流量計(jì)的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象48。2007年，Lunde P等人通 過理論計(jì)算給出了超聲波流量計(jì)互易性電路阻抗匹配的設(shè) 計(jì)準(zhǔn)則H。2013年,Bo Y等人設(shè)計(jì)了一種適用于液體超聲 波流量計(jì)的互易性收發(fā)電路，有效地增強(qiáng)了順逆流接收信 號(hào)的一致性。

本文在首期研究基礎(chǔ)上首次將互易性電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用 于氣體超聲波流量計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種阻抗匹配的氣體超聲 波流量計(jì)收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)了互易性氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量 系統(tǒng),進(jìn)行了靜態(tài)下不同換能器的配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)。

1.互易性電路設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從發(fā)射電路和換能器直接連接的一級(jí) 信號(hào)接收處理電路入手，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

1.1發(fā)射電路

超聲波在氣體中的衰減比較嚴(yán)重，為了得到信噪比較 高的接收信號(hào),就需要給換能器較大幅值的脈沖激勵(lì)。本 文發(fā)射電路如圖1所示。在該電路中，T1為高頻變壓器， 變比為1 : 3, M1, M2, M3, M4為功率M0SFET,依次控制 (M1,M3)和（M2, M4)兩組M0SFET導(dǎo)通即可通過推挽,在 變壓器原邊得到峰峰值為30V的方波信號(hào)。S為模擬開 關(guān)，導(dǎo)通電阻值為Ra,用以切換換能器。變壓器的使用將 電路原本在變壓器原邊的等效阻抗換算到變壓器副邊后變 為原來的9倍。兩組M0SFET導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通阻值之和同為 0.108 fi。則變壓器副邊的等效阻抗為Rm = 9x0. 108 =fioRS為匹配電阻器。因此，電路的等效阻抗&可由式（1)計(jì)算

ZS = Rm + RA + RS

1.2接收電路

超聲波初級(jí)接收電路如圖2所示。主要由模擬切換開 關(guān)和電壓跟隨電路組成。接收電路中使用的模擬開關(guān)與發(fā) 射電路使用的模擬開關(guān)相同，其導(dǎo)通阻值可以完全抵消。 在電壓跟隨電路中，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)足夠大，在分析 電路時(shí)可以認(rèn)為，運(yùn)放兩輸入端的電位近似相等，流過運(yùn)放 輸入端的電流近似為零。接收電路的等效阻抗就可以看成 模擬開關(guān)的導(dǎo)通阻值與匹配電阻Rl的和，而與后序的放大 處理等電路無關(guān)。即

ZL= Ra + Rl (2)

對(duì)比式（1)可以發(fā)現(xiàn)，只要設(shè)置合適的值使R,s + Rm與 Rl的值相等，即可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在一般情況下，Rm不足 1 H的阻值對(duì)結(jié)果的影響可以忽略，只要匹配合適的Rs與 Rl的值使其相等即可實(shí)現(xiàn)理論上的阻抗匹配。

2.電路實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2. 1實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。測(cè)量系統(tǒng)使用 MSP430249作為處理器。接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過放大, 自動(dòng)增益控制等將信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)大小，通過雙閾值法處 理信號(hào)，以特征過零點(diǎn)作為信號(hào)的到達(dá)時(shí)鐘。計(jì)時(shí)模塊采 用高分辨率測(cè)時(shí)芯片TDC-GP21,測(cè)量精度可達(dá)22 ps,保證 了時(shí)間測(cè)量的精度要求。測(cè)量系統(tǒng)還包括按鍵,液晶顯示, 存儲(chǔ)器等外圍模塊。

流量計(jì)管節(jié)的內(nèi)徑為100mm,2只超聲波換能器呈45° 安裝于管節(jié)的兩側(cè)。系統(tǒng)通過RS-485通信實(shí)時(shí)測(cè)得的流 量傳輸?shù)?/span>PC端。在實(shí)際靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中使用了互易（系統(tǒng)1) 和非互易（系統(tǒng)2) 2套測(cè)量系統(tǒng)來驗(yàn)證互易電路設(shè)計(jì)的有 效性。在系統(tǒng)1中，發(fā)射電路和接收電路均采用前文設(shè)計(jì) 的電路，匹配阻值設(shè)置為R,s = Rl =2kfi。系統(tǒng)2使用的發(fā)射電路去掉了匹配電阻，即Rs =0,在接收電路模塊,將換能 器直接與一級(jí)放大電路相連接。其他模塊兩系統(tǒng)完全一 致。測(cè)量系統(tǒng)使用4個(gè)頻率為125 kHz的方波作為激勵(lì)信 號(hào)。分別進(jìn)行了換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證互易系 統(tǒng)對(duì)零點(diǎn)問題的改善。

2.2換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)

換能器的差異是產(chǎn)生零點(diǎn)誤差問題的直接原因。圖4 給出了在不同換能器配對(duì)的情況下，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2在室 溫(20T：)下的靜態(tài)測(cè)量流速值。實(shí)驗(yàn)共使用了 4個(gè)AT120 系列的超聲換能器，故共產(chǎn)生6種不同的配對(duì)情況。分別 記錄兩系統(tǒng)在使用6對(duì)不同換能器時(shí)的靜態(tài)測(cè)量值。每次 記錄時(shí)間為6min,測(cè)量結(jié)果通過RS-485通信實(shí)時(shí)傳到PC 端,計(jì)算6 min的測(cè)量平均值作為最終的零點(diǎn)測(cè)量值。

由圖4可以看出，在不同換能器配對(duì)的情況下，系統(tǒng)1 的零點(diǎn)測(cè)量值較系統(tǒng)2的測(cè)量值小得多。系統(tǒng)1在不同配 對(duì)情況下測(cè)得的零點(diǎn)流速均小于0. 002 m/s。根據(jù)超聲流 量計(jì)檢定規(guī)程JJG 1030-2007的規(guī)定8 ,氣體超聲波流量計(jì) 的零點(diǎn)誤差不能超過0. 012 m/s, 1級(jí)精度的氣體超聲波流 量計(jì)在分界流量以下的測(cè)量誤差不能超過2%。氣體超聲 波流量計(jì)一般可以測(cè)量的最小流速為0. 3 m/s,則在此流速 下超聲波流量計(jì)的最大可允許測(cè)量誤差為±0.006 m/s。實(shí) 驗(yàn)中，系統(tǒng)1的零點(diǎn)測(cè)量誤差值小于流量計(jì)的最大可允許 測(cè)量誤差，滿足測(cè)量的精度要求。

2. 3溫度實(shí)驗(yàn)

溫度是在超聲波流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中影響換能器性能的重要因素，也是造成零點(diǎn)漂移問題的原因之一。圖5給 出了在不同溫度下，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同一對(duì)換能器在 靜態(tài)下的測(cè)量流速值。在該實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用 同樣的管節(jié)和同一對(duì)已經(jīng)配對(duì)的換能器，測(cè)量管節(jié)被放置 在恒溫箱中，通過改變溫箱的設(shè)定溫度來改變管節(jié)所處的 溫度。待溫度穩(wěn)定后,分別記錄兩系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量值，記錄 方法與前述實(shí)驗(yàn)相同。

由圖5可得：在不同溫度下，系統(tǒng)1測(cè)量值的變化范 圍為-0.0026 ~0.0001m/s,系統(tǒng)2測(cè)量值的變化范圍為 -0.0026 ~0.0033m/s。系統(tǒng)1測(cè)量值的變化范圍較系 統(tǒng)2小了 1倍，說明系統(tǒng)1對(duì)于溫度漂移問題具有抑制 性。在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)1零點(diǎn)測(cè)量值的溫漂變化 范圍同樣小于最大可允許測(cè)量誤差，滿足測(cè)量的精度 要求。

3.結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種阻抗匹配的收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)的 互易性。進(jìn)行了實(shí)際的換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn),在人 為改變流量計(jì)所使用的換能器性能和流量計(jì)所處溫度的情 況下，互易性系統(tǒng)的零點(diǎn)測(cè)量誤差均小于0. 003 m/s。完全 滿足超聲流量計(jì)檢定規(guī)程JJG 1030-2007的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的有效性,體現(xiàn)出互易性超聲流量計(jì)測(cè) 量系統(tǒng)對(duì)于零點(diǎn)誤差和零點(diǎn)漂移問題的抑制性。