基于離散時差檢測的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

為縮小計(jì)數(shù)誤差、提高流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量精度，基于離散時差檢測提出一種無需信號預(yù)處理的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。首先，根據(jù)多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)原理，提出基于時差檢測的計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理；其次，根據(jù)流量計(jì)脈沖離散信號特性，推導(dǎo)得多工位脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式；最后，在具有 4 臺流量計(jì)的多工位流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置中實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)與工程應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：在脈沖信號周期穩(wěn)定的模擬試驗(yàn)中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計(jì)數(shù)誤差小于 0.007 7 個，在工程應(yīng)用中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計(jì)數(shù)誤差小于 0.043 2 個。

0引言

脈沖計(jì)數(shù)是測試計(jì)量領(lǐng)域中廣泛使用的一種技術(shù)手段,以脈沖信號形式輸出的儀器儀表遍布工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)時監(jiān)測、自動化控制等領(lǐng)域,對脈沖信號進(jìn)行補(bǔ)償,提高儀器儀表精度等級一直以來備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。脈沖信號計(jì)數(shù)精度提升方法主要有相位測量補(bǔ)償法、多周期同步法、時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time to digital convert,TDC)方法。相位測量補(bǔ)償法將脈沖信號進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換為諧波,計(jì)算量較大;廣州能源檢測研究院通過提取基波相位的方法,對3 路不同步脈沖信號進(jìn)行精度補(bǔ)償 ， 計(jì)數(shù)誤差小于0.06；文獻(xiàn)提出級聯(lián)自適應(yīng)陷波器，實(shí)現(xiàn)離線估計(jì)周期脈沖信號相位，對 2 路不同步脈沖信號進(jìn)行補(bǔ)償，其脈沖計(jì)數(shù)誤差優(yōu)于±0.045 個；Liu 等基于時間-頻率測量算法變換實(shí)現(xiàn)同步相位測量法，準(zhǔn)確獲取不同步采樣情況下電壓、電流的基波相量；多周期同步法通過同步被測信號和閘門信號消除被測信號計(jì)數(shù)時存在的±1 計(jì)數(shù)誤差，但時基信號仍存在 ±1 計(jì)數(shù)誤差，難以進(jìn)行多路測量 ；張朋 提出基于時間戳計(jì)數(shù)與多周期同步的頻率瞬變測量算法，減小由時基信號±1 計(jì)數(shù)誤差引入的測量誤差， 提高計(jì)數(shù)精度。 TDC通過設(shè)計(jì)電路測量時間殘基，提高時間測量精度，進(jìn)而提高脈沖信號計(jì)數(shù)精度，目前 TDC 時間測量精度已達(dá)皮秒級。 為實(shí)現(xiàn)多路不同步脈沖信號高精度計(jì)數(shù)、 減小計(jì)算量，提出一種基于離散時差檢測的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。

1.多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

1.1多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理

圖1 為多路不同步脈沖與閘門信號波形圖 ，以閘門信號的上升沿為 i 路脈沖計(jì)數(shù)起止時刻，由于每路信號上升沿時刻與閘門起止脈沖上升沿時刻不重合，采用上升沿計(jì)數(shù)法得到測量值存在±1 以內(nèi)計(jì)數(shù)誤差。

多路不同步脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償可通過測量起止時刻與相鄰脈沖上升沿時間差，計(jì)算補(bǔ)償計(jì)數(shù)值，減小計(jì)數(shù)誤差。

圖 2 為第 i 路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償示意圖。 設(shè)第 i 路信號在閘門起止時間段內(nèi)檢測到脈沖個數(shù)值為 Nip、補(bǔ)償計(jì)數(shù)值為 Nic，則在該時間段內(nèi)精確計(jì)數(shù)值 Ni 為

Ni = Nip + Nic

設(shè)閘門信號起止時刻分別為 ts、te，其各自相鄰第 i 路脈沖上升沿出現(xiàn)時刻為 ti0、ti1 和 ti2、ti3。 則按上升沿計(jì)數(shù)，ts~ti1 和 te ~ti3 時間段內(nèi)需補(bǔ)償脈沖個數(shù)

nis、nie，有：

則式（6）為多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式，只需要獲取如圖 3 多路信號，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)補(bǔ)償。 根據(jù)離散數(shù)據(jù)判定的上升沿時刻與原始信號上升沿時刻存在偏差，當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于原始信號頻率時，偏差遠(yuǎn)小于流量計(jì)輸出脈沖信號周期，可忽略不計(jì)。

2 試 驗(yàn)

2.1模擬試驗(yàn)

使用信號發(fā)生器生成脈沖信號，經(jīng) 100 分頻后，進(jìn)行計(jì)數(shù)與補(bǔ)償； 則原始信號的 1/100 為脈沖計(jì)數(shù)實(shí)際值。 圖 4 為脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償技術(shù)效果驗(yàn)證原理圖。

信號發(fā)生器使用 Tektronix AFG2021-SC，以 RC

電路輸出 5 V 閘門信號，數(shù)據(jù)采集卡選用阿爾泰

PCI8602（最高采樣頻率 250 kHz）。 圖 5 為脈沖計(jì)數(shù)

補(bǔ)償算法流程圖。

在實(shí)驗(yàn)時長約 100 s、3 路信號上升沿穿越電平閾值 AT 3 V、 數(shù)據(jù)采集卡單通道采樣頻率 10 000 Hz 的

條件下，以信號發(fā)生器生成幅值 4V、占空比為 10%、頻

率分別為 20，60，100，200 Hz 的脈沖信號。 表 1 為多次脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償模擬試驗(yàn)結(jié)果，可知沒有補(bǔ)償?shù)玫浇Y(jié)果計(jì)數(shù)誤差較大（±1 以內(nèi)），補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于 0.007 7 個，補(bǔ)償效果顯著。

2.2工程應(yīng)用試驗(yàn)

研制的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置共設(shè)置 4 臺流量計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、被檢流量計(jì)各 2 臺），配置阿爾泰 PCI8602型數(shù)據(jù)采集卡，接入 4 路流量計(jì)輸出脈沖信號及換向裝置的 1 路閘門信號，實(shí)現(xiàn) 4 路脈沖信號的計(jì)數(shù)補(bǔ)償。

將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)分別在 6.0，3.0 m3/h 的不同流量下各進(jìn)行多次檢定試驗(yàn)，根據(jù)圖 4，采集標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出脈沖信號、換向裝置輸出閘門信號，進(jìn)行計(jì)數(shù)補(bǔ)償驗(yàn)證效果。令 AT=3 V、數(shù)據(jù)采集卡各通道采樣頻率 fc=40 kHz，表 2 為脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償工程應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，經(jīng)補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差顯著降低，在±0.043 2

個以內(nèi)，補(bǔ)償效果理想。

3.結(jié)束語

1）本文提出一種基于離散時差檢測的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)，信號無需進(jìn)行預(yù)處理，即可實(shí)現(xiàn)多路不同步脈沖信號補(bǔ)償。

2）在具有 4 臺流量計(jì)的多工位流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置上， 嵌入基于離散時差檢測的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)與工程應(yīng)用試驗(yàn)。 在周期穩(wěn)定的脈沖信號中算法補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于 0.007 7 個，在脈沖周期振蕩的工程應(yīng)用中，算法補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于 0.043 2 個。