CN100520310C - 基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法。此方法以多脉冲自动增益控制方法为核心，测量过程中连续激发多个超声波束，相应接收到多个波束信号，以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据，可迅速完成放大电路增益的调整，使超声波液、气体流量计、液位计反应更“灵敏”，可大大提高测量过程中应对接收信号幅值发生频繁、快速变化的能力，减少漏检或者误判，从而大大提高超声波液体流量计、超声波气体流量计及超声波液位计在恶劣环境下的测量精度与可靠性。

Description

基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法

技术领域

本发明涉及应用于超声波流量及液位测量的测量方法，尤其涉及一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法。

背景技术

无论是超声波液体、气体流量测量，还是超声波液位测量，都需要确定超声波传播开始时刻与结束时刻，即激发时刻与接收时刻。通常激励信号的波形稳定性较好且波形较陡，激发时刻可通过激励信号与设定的阈值电压比较直接确定。接收信号需经放大后，方可用于确定接收时刻，由于接收信号通常存在小范围的幅值波动及波形扭曲，若直接进行电压阈值比较确定接收时刻，将引入比较误差。由于测量过程中，超声波信号的频率始终保持不变，即接收信号的过零点位置不变，故可选用放大后信号的某一高于零点的阈值电压后的下一个过零点作为接收时刻，即采用过零检测确定接收时刻。

过零检测只适用于信号幅值存在小范围波动的情况下，若信号幅值变化过大，则可能使过零检测选波时阈值比较点出现前后几个波形的跳动，即信号辨识出现错误，甚至导致过零检测失效，从而直接影响测量精度与可靠性。而在实际测量中往往由于流体含有气泡和杂质、液面波动、管道震动等因素，造成接收信号幅值变化范围较大。因此，必须对信号放大电路的增益进行控制，即“增益控制”，以达到放大后信号幅值只有小范围波动的目的。

目前常用的超声波信号增益控制多为单脉冲增益控制方法，如图1所示，即以上一个发射周期收到的信号幅值作为下一个发射周期接收信号放大增益调整的依据。此方法的增益调整间隔为一个发射周期，以大管径超声波流量计为例：一个发射周期将达到1ms以上，这在接收信号幅值变化较缓慢时适用。但实际工作环境通常较为恶劣，例如：在液体流量测量中，气泡和颗粒造成超声波的突然衰减或散射；在气体流量测量中，介质二氧化碳含量、压力的快速变化，造成声波衰减的快速变化；液位测量中的液面剧烈波动，造成声波反射角的剧烈变化。这些都将导致接收信号幅值发生频繁、快速的变化。由于单脉冲增益控制方法的调整周期较长，反应较为“迟钝”，而恶劣的环境有可能导致接收信号幅值的变化周期小于增益调整周期，因此，单脉冲增益控制的测量方法常出现计量不准、误计量甚至不计量等情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

以多脉冲自动增益控制方法为核心，测量过程中连续激发多个超声波束，相应接收到多个超声波束信号，以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据，迅速完成放大电路增益的调整，此方法适用于超声波液体流量计、超声波气体流量计及超声波液位计。

测量过程中连续激发多个超声波束，在接收信号幅值变化不是非常剧烈的情况下，采用连续激发两个超声波束完成一次测量；在接收信号幅值变化较为剧烈的情况下，采用连续激发两个以上超声波束完成一次测量。

对于接收到的多个超声波束信号，以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据，完成放大增益的自动调节，当连续激发两个超声波束时，为双脉冲自动增益控制，连续激发两个以上超声波束时，为多脉冲自动增益控制。

用于超声波液体流量计、超声波气体流量计及超声波液位计中，可提高其在恶劣环境下的测量精度与可靠性。

本发明具有的有益效果是：

本发明基于多脉冲自动增益控制的测量方法可解决单脉冲增益控制测量方法反应过于“迟钝”的问题，使超声波液、气体流量计、液位计反应更“灵敏”，大大提高测量过程中应对接收信号幅值发生频繁、快速变化的能力，减少漏检或者误判，从而大大提高超声波液体流量计、超声波气体流量计及超声波液位计在恶劣环境下的测量精度与可靠性。

附图说明

图1为单脉冲自动增益控制原理图。

图2为双脉冲自动增益控制原理图。

图3为多脉冲自动增益控制原理图。

图4为多脉冲自动增益控制硬件框图。

图5为控制时序图。

具体实施方式

基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法采用N个脉冲束连续激发的方式，相应接收换能器将收到N个接收信号。若以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据，则可迅速完成放大电路增益的调整。以200KHz的激发脉冲为例，若每个脉冲束中的脉冲数不超过10个，则增益调整间隔可做到0.1ms以下。因此，对于基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法，其增益调整周期将较单脉冲增益控制的测量方法大大缩短，反应将更“灵敏”。

针对不同的工况，可采用不同的多脉冲自动增益控制测量方法：

1)双脉冲自动增益控制测量方法

在接收信号幅值变化不是特别频繁的情况下，只需双脉冲便可完成一次测量，如图2所示。接收信号1的放大增益由上一次测量决定或由系统预设为某个值，根据放大后的信号1幅值判断增益值的调节量，并以此决定接收信号2的放大增益。接收信号1为调节增益系数的参考信号，而接收信号2被用于真正的流量计量。

2)多脉冲自动增益控制测量方法

对于工况较为恶劣的情况，接收信号幅值将发生频繁、快速波动，即使采用双脉冲自动增益控制测量方法，可靠性亦达不到要求。

针对此情况，可采用多脉冲自动增益控制测量方法，该测量方法以双脉冲自动增益控制测量方法为基础，以判读多个连续相邻的脉冲为特征，具有自动剔除不合格接收信号的功能，以此确保测量的精度和可靠性。以如图3所示为例：连续激发4个脉冲束，4个接收信号中，只有2和3幅值较为接近。按照多脉冲自动增益控制的规律：以上一个接收信号幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据。第1个接收信号放大增益由上一次测量决定或由系统预设为某个值，接收信号2的放大增益由接收信号1的幅值决定，接收信号3的放大增益由接收信号2的幅值决定，接收信号4的放大增益由接收信号3的幅值决定。由于接收信号2与3幅值较为接近，可确保接收信号2的幅值对接收信号3增益的调整具有正确的参考意义，因此接收信号3经放大后用于后继信号处理，其余信号被剔除。以气体超声波流量计为例，按一个脉冲束宽度为0.05ms计算，300mm管径的传播时间在1.2ms左右，则最大允许连续激发脉冲束数量为20个以上，即只需20个接收信号中有两个相邻的接收信号幅值接近即可确保本次测量成功。

针对超声波多脉冲检测中接收信号非连续、有效信号筛选困难的特点，采用自动增益控制环路结合时序控制的方式，实现超声波接收信号的多脉冲自动增益控制。

自动增益控制环路如图4所示，由电压峰值锁存电路、电压比较电路、逻辑控制电路、A/D转换器、CPU、D/A转换器及压控增益放大电路构成。

控制时序如图5所示，超声波接收信号经前级固定增益放大及滤波后，由电压峰值锁存电路锁定各脉冲峰值，通过电压比较电路与设定的阈值电压比较，当峰值锁存信号达到阈值电压门槛后，延时固定时间，逻辑控制模块控制A/D启动采样与转换，并控制电压峰值锁存电路转换到跟随状态。CPU根据A/D转换结果得到此次脉冲信号峰值数值，进一步计算得到下一个脉冲信号应设增益值，通过D/A设定压控增益放大电路控制电压，从而实现增益的有效控制。期间CPU将自动记录每个信号的峰值，以相邻信号峰值接近与否为标准，实现有效信号的筛选。

Claims (4)

1、一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法，其特征在于：在一次测量过程中，在第一个超声波脉冲束接收信号被接收之前，连续激发两个超声波脉冲束，直到上述所有超声波脉冲束被激发，再接收所述两个超声波脉冲束，以第一个超声波脉冲束接收信号的幅值作为第二个超声波脉冲束接收信号放大增益调整的依据，迅速完成放大电路增益的调整，此方法用于超声波液体流量计、超声波气体流量计及超声波液位计。

2、根据权利要求1所述的一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法，其特征在于：在超声波脉冲束接收信号幅值变化不是非常剧烈的情况下，采用连续激发两个超声波束完成一次测量。

3、一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法，其特征在于：在一次测量过程中，在第一个超声波脉冲束接收信号被接收之前，连续激发多个超声波脉冲束，直到上述所有超声波脉冲束被激发，再接收所述多个超声波脉冲束，以上一个超声波脉冲束接收信号的幅值作为下一个超声波脉冲束接收信号放大增益调整的依据，迅速完成放大电路增益的调整，此方法用于超声波液体流量计、超声波气体流量计或者超声波液位计。

4、根据权利要求3所述的一种基于多脉冲自动增益控制的超声波流量与液位测量方法，其特征在于：在超声波脉冲束接收信号幅值变化较为剧烈的情况下，采用连续激发多个超声波脉冲束完成一次测量。

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