吳志敏，蘇滿紅，鐘江生

(深圳職業(yè)技術學院，廣東深圳　518055)

0　引言

在天然氣、煤氣和其他氣體輸送工程中，經常面臨大管徑、高流速管道氣體的流量測量和分配計量問題。為了保證氣體流量的測量精度，國際上普遍采用多通道的超聲波氣體流量計[1]?，F(xiàn)有超聲波氣體流量計，大多數(shù)采用單片機及多處理器組合作為核心處理器件[2]，其核心信號處理通常由多塊電路板完成，電路構架形式復雜，運算和處理能力難以達到多個通道實時信號處理的要求。文中采用可編程片上系統(tǒng)SOPC作為核心電路架構設計了一種多通道超聲波氣體流量計，除外置模擬電路、A/D轉換和信號接口外，其系統(tǒng)控制、數(shù)字信號處理及必要的時序產生全部都設計在一片大容量FPGA芯片中。

1　測量原理

多通道超聲波氣體流量計中，聲學通道的布置方式有直射式、一次反射式、二次反射式或多次反射式等基本結構形式[3]，每種方式可根據(jù)實際測量需要設置不同的通道數(shù)量，并可以進行組合配置，保證往復于探頭之間的超聲波信號分布在氣體輸送管道的不同層面上，更加準確地反映氣體的流速分布情況。不同通道數(shù)目的超聲波氣體流量計，在單個通道上測流原理是一致的。在測量管段的每個通道內，超聲換能器A和B交替發(fā)射和接收超聲波，通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的時間差，可計算出沿該通道聲波路徑上不同流層氣體的軸向速度平均分布。同時，綜合對各個通道流層測量流速進行加權積分求和，可計算出整個管道瞬時流速和體積流量。

如圖1所示，圖1(a)和圖1(b)分別是超聲波氣體流量計直射式和一次反射式通道結構示意圖。

(a)

(b)

假設可收發(fā)式換能器A和B間的通道長度為L，超聲傳播方向與軸線之間夾角為θ，超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速為c，管道直徑為D，則當管道內氣體流速為v時，該通道超聲波沿氣流順向和逆向傳播的時間分別為:

(1)

(2)

式中：tAB、tBA分別為超聲波順向傳播和逆向傳播的聲時；τ1、τ2分別為超聲波順向傳播和逆向傳播時電路、電纜及換能器等產生的聲延時。

由此可得到該聲道上氣體的線平均流速為：

(3)

(4)

式中：kci為第i個通道的加權積分系數(shù)(流場校正因子)；n為流量計通道總數(shù)。

由測得的管道氣體流速可以得到工況條件下氣體的瞬時流量，換算成標準工況下的氣體流量Q可表示為：

(5)

式中：K為修正系數(shù)(通過標定獲得的儀表系數(shù))；p、T、Z分別為管道中實測工況條件下氣體的壓力、溫度和壓縮因子；p0、T0、Z0分別為標準工況下氣體的壓力、溫度和壓縮因子。

氣體流量測量中，由于氣體的黏性系數(shù)較小，一般處于湍流狀態(tài)，而湍流狀態(tài)在整個管道中分布流態(tài)很復雜，常存在軸向速度分布、旋向速度分布、徑向速度分布的不均勻性和畸變情況。在實際應用中，超聲波順逆流傳播時差的精度往往要達到ns量級甚至亞ns量級，因此，多通道測量方式和時差測量精度是氣體流量計測量精度的關鍵。

2　超聲波氣體流量計系統(tǒng)設計

2．1總體結構設計

多通道超聲波氣體流量計系統(tǒng)的硬件組成結構如圖2所示，整個系統(tǒng)包括超聲波驅動與信號調理電路,壓力、溫度信號采集電路、FPGA片上系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口電路4個部分。超聲波驅動與信號調理電路分為4組，每一組由功率放大模塊、收發(fā)轉換與通道切換模塊、AGC放大模塊、A/D轉換模塊等部分構成。FPGA片上系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制模塊、脈沖產生模塊、數(shù)字濾波模塊、相關運算模塊、流速計算模塊、流量計算模塊、數(shù)據(jù)通信控制模塊和人機交互控制等模塊，各部分全部集成在一個FPGA單片上，是氣體流量計系統(tǒng)控制與流量分析的核心電路。壓力、溫度信號采集電路主要由溫度和壓力的A/D轉換、濾波與信號調理部分構成。數(shù)據(jù)接口電路則主要由開關量輸出模塊、GPRS及以太網輸出模塊、4～20 mA電流輸出模塊、0～5 V電壓輸出模塊、頻率/脈沖信號輸出模塊、TFT觸摸屏及其他功能擴展電路模塊組成。

圖2　系統(tǒng)的硬件結構框圖

應該指出，測量管段每個超聲傳輸通道配備A、B一對收發(fā)復合式超聲換能器探頭，而每個通道流速測量單元可以分時處理2個通道的測量工作。因此，該設計硬件電路中4組通道流速測量單元可以處理8通道或以下數(shù)目的通道信號，各組之間在FPGA邏輯控制下可并行開展工作，需要時可以根據(jù)通道數(shù)目增加通道流速測量單元數(shù)量，方便地實現(xiàn)系統(tǒng)擴展升級。

2．2功率放大與超聲驅動電路

超聲信號的發(fā)射電路也稱超聲驅動電路，其作用是產生一個具有一定輸出功率和一定頻率的超聲電脈沖去激勵發(fā)射換能器，由換能器轉換為超聲波向外發(fā)射[4]。如圖3 所示，F(xiàn)PGA的脈沖產生模塊產生用于發(fā)射的200 kHz的順流和逆流脈沖信號，該信號為TTL電平的脈沖群，不足以直接驅動超聲波換能器。功率放大模塊由一個高速晶體管Q1/Q2、2個達林頓管Q3/Q5和Q4/Q6構成的推挽電路構成，它把經功率放大后的電壓加在脈沖變壓器T1/T2的初級線圈上，經過變壓器的升壓，通過(UP+，UP-)和(DN+，DN-)端，把600 Vpp左右的高壓加在換能器上，以足夠的功率驅動換能器發(fā)射超聲波。同時，變壓器和二極管還對換能器探頭接收端超聲信號起隔離保護作用，提高信號接收靈敏度。這里，變壓器初級次級匝數(shù)比為1∶40。

圖3　超聲驅動與輸入隔離電路

2．3接收轉換與通道切換電路

圖4為超聲波通道與接收切換電路示意圖。設計中，采用3個MAX4632雙路模擬開關，分別完成1個測量單元內2個通道之間、第一通道順流和逆流之間和第二通道順流和逆流之間的接收信號的切換，通過COM1和COM2端口把輸入信號傳輸?shù)紸GC模塊等后續(xù)的調理、控制電路進行處理。

圖4　通道與接收切換電路

2．4信號放大與調理電路

探頭接收到的超聲波信號非常微弱并且受工況影響干擾嚴重，幅值變化很大，所以要經過信號放大和調理電路整理。圖5為采用的通道前置放大電路，用低噪聲的高速運算放大器MAX436差模輸入，IOUT單端輸出，保證足夠高的增益帶寬積，滿足高頻信號處理要求。

圖5　通道前置放大電路

圖6是信號的AGC放大模塊，將對輸入信號進行調理，通過硬件選頻電路對信號進行濾波，并通過自動增益控制放大電路將信號放大到合適值，保證后續(xù)數(shù)據(jù)采集的最佳工作狀態(tài)。

圖6　輸入信號的AGC放大電路

2．5數(shù)據(jù)采集電路

圖7是信號的A/D轉換與數(shù)據(jù)采集電路。信號進行調理后，利用每個通道中的ADS807模塊做A/D轉換，將調理好的超聲信號轉換為數(shù)字信號，并用FPGA中數(shù)字濾波模塊進一步對信號進行55級的FIR帶通濾波，最大程度上提取有用信號。

圖7　數(shù)據(jù)采集電路

3　FPGA流量測量片上系統(tǒng)功能設計

超聲波氣體流量計中FPGA片上系統(tǒng)的實現(xiàn)采用第三代颶風產品EP3C55，采用Quartus II軟件進行功能設計。該芯片內部資源豐富，性價比高，系統(tǒng)工作頻率為80 MHz，A/D轉換采樣速度為40 MHz．若選用更大容量的EP3C80或EP3C120，可以處理更多通道數(shù)據(jù)，進一步擴展系統(tǒng)能力。

如圖2所示，在必要的電源管理、控制板時鐘及配置電路支持下，F(xiàn)PGA芯片利用內部可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、豐富的布線資源和內嵌的底層功能單元，承擔了系統(tǒng)核心處理功能。FPGA芯片實現(xiàn)的功能包括3類：

(1)系統(tǒng)控制功能，主要控制系統(tǒng)協(xié)調工作，包括整個過程的數(shù)字邏輯控制和時序控制，確保了時序的準確性和整個系統(tǒng)正常工作；

(2)DSP處理功能，主要利用內嵌的高速DSP單元，同步對各通道脈沖信號進行信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、時差相關算法運算，實時計算出各通道時差值和流速分布；

(3)嵌入式MCU功能塊：一方面綜合多個通道時差計算結果，依據(jù)多通道氣體流量模型，結合氣體溫度、壓力條件和氣體方程，計算出準確的氣體流量數(shù)據(jù)，獲得各種分析處理結果；另一方面，提供數(shù)據(jù)通信控制和人機交互控制功能，與外圍數(shù)據(jù)接口電路和功能擴展電路配合，實現(xiàn)開關量報警輸出，4～20 mA電流信號，0～5 V電壓信號、頻率/脈沖信號等多種方式的輸出。

同時，采用TFT觸摸屏作為人機界面設置參數(shù)及顯示測量狀態(tài)和結果，將各種運行狀況參數(shù)、現(xiàn)場顯示溫度、壓力、實時流量數(shù)據(jù)和自診斷信息在TFT觸摸屏上輸出顯示。此外，利用GPRS及以太網輸出模塊，可提供信息的網絡上傳與網絡遠程監(jiān)控功能。

為了提高分辨率，采用了改進的相關時差算法[5]，通過移動插值方法提高采樣速率，時間分辨率可以提高到1．25 ns；然后再進行相關運算處理，通過峰值移動檢測大大提高了超聲波氣體流量計的精度和準確度。

4　結束語

文中設計的基于SOPC的多通道超聲波氣體流量計是一種新型智能化儀表，功耗低、處理能力強、人機接口豐富、剪裁升級潛力大，并可以方便地將功能模塊移植到其他氣體流量相關的應用場所，從而有可能使氣體流量計在規(guī)模、可靠性、功耗、功能、性能指標、開發(fā)周期、開發(fā)成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)設計最優(yōu)化。

參考文獻：

[1]American Gas Association．AGA Report No．9：Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters(Second Edition)．Washington DC：2007．

[2]周利華，修吉平．時差式超聲波氣體流量計的研制．儀表技術與傳感器，2007(6)：21-22．

[3]石泓然．氣體超聲流量計聲道的設計與應用．儀表技術，2011(11)：1-4．

[4]徐楠．多聲道超聲波氣體流量計信號處理模塊設計：[學位論文]．成都：電子科技大學，2009．

[5]蘇滿紅，吳志敏，葉瑋淵．一種時差式超聲波流量計及其簡化算法．現(xiàn)代電子技術，2009，(4)：53-55．