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AIRMAR超声波换能器AT200在超声波燃气表的高精度计技术

在超声波流量计实际应用中,小流量状态下超声波信号的幅值比较稳定,时间测量精确度较高。但是,在大流量下受到气流以及外界因素的影响,造成超声波流量计的时间测量精度受到严重影响,带来测量误差。
为了克服大流量下时间测量精确度低的问题,把阈值法与互相关算法相结合,可提高超声波燃气表时间测量的精确度以及抗干扰能力。
(1)阈值法
阈值法就是通过过零检测技术和阈值检测技术结合,获取电子计时的时间。当AIRMAR超声波换能器信号的幅值超过设定的阈值时,此时通过过零检测电路对信号的零点进行检测。当AIRMAR超声波换能器信号幅值达到并超过此阈值时,过零检测电路开启,通过检测阈值后面的第一个过零点,就可以获取超声波的渡越时间。
   (2)互相关算法
互相关算法主要依据卷积定理,对同一个AIRMAR超声波换能器接收到的流体静态参考信号波形与动态测量信号波形进行相关算法波形匹配,通过偏移点的个数得到测量时间差值,新型相关算法时间测量原理见图1。
气体质量流量传感器
AT200超声波换能器A作为发射端,AT200超声波换能器B作为接收端,以AT200超声波信号顺流传播时间的测量为例对测量原理进行说明。首先,在流体静止状态下AT200超声波换能器B存储静止状态下的接收波形作为参考信号波形,波形函数为X(t)。当燃气流动时,AT200超声波换能器B接收到的信号波形为测量信号波形,波形函数为Y(t)。对于同一个AT200超声波换能器B来说,两种流体状态下,接收到的两个AT200超声波信号波形非常相似,只是时间上的延迟。由互相关算法理论可知,函数X(t)与Y(t)满足相关函数条件,两个波形之间的相关函数为:
气体质量流量传感器
(3)时间测量数据分析
为了验证时间测量方法的准确性,通过时间测量实验进行对比,通过画出时间测量的离散图来进一步判断时间测量方法的可靠性及抗干扰能力。在选取流量点下,进行时间测量并进行
数据分析,互相关测量方法的测量结果见图2,传统时间测量方法测量结果见图3
气体质量流量传感器
气体质量流量传感器
由图2、3对比可以看出,与传统的时间测量方法相比,互相关测量方法有很高计量精度和很强的稳定性。同时,选用的互相关算法的时间测量技术在信号的抗干能力上有很大提高。
选取超声波燃气表中带干扰信号的一组测量数据,通过MATLAB软件对采用的计时技术抗干扰能力进行进一步判断。带噪声的超声波信号见图4,带噪声的超声波信号与参考波形的匹配结果见图5。

气体质量流量传感器

气体质量流量传感器


由图4、5可以看出,带有高频的干扰信号并未影响到互相关匹配的计算,最大相关区域对应的时间轴位置不变,参考点的位置没有改变。即渡越时间计算结果与无噪声情况相同。可以看出,互相关算法在抗干扰能力方面有很大的优点,在高频信噪比情况下依然能实现高精度时差测量,具有很强的抗干扰性。

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