專利名稱：基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法
技術領域：
本發明涉及應用于超聲波流量及液位測量的測量方法，尤其涉及一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法。
背景技術：
無論是超聲波液體、氣體流量測量，還是超聲波液位測量，都需要確定超聲波傳播開始時刻與結束時刻，即激發時刻與接收時刻。通常激勵信號的波形穩定性較好且波形較陡，激發時刻可通過激勵信號與設定的閾值電壓比較直接確定。接收信號需經放大后，方可用于確定接收時刻，由于接收信號通常存在小范圍的幅值波動及波形扭曲，若直接進行電壓閾值比較確定接收時刻，將引入比較誤差。由于測量過程中，超聲波信號的頻率始終保持不變，即接收信號的過零點位置不變，故可選用放大后信號的某一高于零點的閾值電壓后的下一個過零點作為接收時刻，即采用過零檢測確定接收時刻。
過零檢測只適用于信號幅值存在小范圍波動的情況下，若信號幅值變化過大，則可能使過零檢測選波時閾值比較點出現前后幾個波形的跳動，即信號辨識出現錯誤，甚至導致過零檢測失效，從而直接影響測量精度與可靠性。而在實際測量中往往由于流體含有氣泡和雜質、液面波動、管道震動等因素，造成接收信號幅值變化范圍較大。因此，必須對信號放大電路的增益進行控制，即“增益控制”，以達到放大后信號幅值只有小范圍波動的目的。
目前常用的超聲波信號增益控制多為單脈沖增益控制方法，如圖1所示，即以上一個發射周期收到的信號幅值作為下一個發射周期接收信號放大增益調整的依據。此方法的增益調整間隔為一個發射周期，以大管徑超聲波流量計為例一個發射周期將達到1ms以上，這在接收信號幅值變化較緩慢時適用。但實際工作環境通常較為惡劣，例如在液體流量測量中，氣泡和顆粒造成超聲波的突然衰減或散射；在氣體流量測量中，介質二氧化碳含量、壓力的快速變化，造成聲波衰減的快速變化；液位測量中的液面劇烈波動，造成聲波反射角的劇烈變化。這些都將導致接收信號幅值發生頻繁、快速的變化。由于單脈沖增益控制方法的調整周期較長，反應較為“遲鈍”，而惡劣的環境有可能導致接收信號幅值的變化周期小于增益調整周期，因此，單脈沖增益控制的測量方法常出現計量不準、誤計量甚至不計量等情況。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是以多脈沖自動增益控制方法為核心，測量過程中連續激發多個超聲波束，相應接收到多個超聲波束信號，以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，迅速完成放大電路增益的調整，此方法適用于超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計。
測量過程中連續激發多個超聲波束，在接收信號幅值變化不是非常劇烈的情況下，采用連續激發兩個超聲波束完成一次測量；在接收信號幅值變化較為劇烈的情況下，采用連續激發兩個以上超聲波束完成一次測量。
對于接收到的多個超聲波束信號，以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，完成放大增益的自動調節，當連續激發兩個超聲波束時，為雙脈沖自動增益控制，連續激發兩個以上超聲波束時，為多脈沖自動增益控制。
用于超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計中，可提高其在惡劣環境下的測量精度與可靠性。
本發明具有的有益效果是本發明基于多脈沖自動增益控制的測量方法可解決單脈沖增益控制測量方法反應過于“遲鈍”的問題，使超聲波液、氣體流量計、液位計反應更“靈敏”，大大提高測量過程中應對接收信號幅值發生頻繁、快速變化的能力，減少漏檢或者誤判，從而大大提高超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計在惡劣環境下的測量精度與可靠性。
圖1為單脈沖自動增益控制原理圖。
圖2為雙脈沖自動增益控制原理圖。
圖3為多脈沖自動增益控制原理圖。
圖4為多脈沖自動增益控制硬件框圖。
圖5為控制時序圖。
具體實施例方式
基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法采用N個脈沖束連續激發的方式，相應接收換能器將收到N個接收信號。若以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，則可迅速完成放大電路增益的調整。以200KHz的激發脈沖為例，若每個脈沖束中的脈沖數不超過10個，則增益調整間隔可做到0.1ms以下。因此，對于基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法，其增益調整周期將較單脈沖增益控制的測量方法大大縮短，反應將更“靈敏”。
針對不同的工況，可采用不同的多脈沖自動增益控制測量方法1)雙脈沖自動增益控制測量方法在接收信號幅值變化不是特別頻繁的情況下，只需雙脈沖便可完成一次測量，如圖2所示。接收信號1的放大增益由上一次測量決定或由系統預設為某個值，根據放大后的信號1幅值判斷增益值的調節量，并以此決定接收信號2的放大增益。接收信號1為調節增益系數的參考信號，而接收信號2被用于真正的流量計量。
2)多脈沖自動增益控制測量方法對于工況較為惡劣的情況，接收信號幅值將發生頻繁、快速波動，即使采用雙脈沖自動增益控制測量方法，可靠性亦達不到要求。
針對此情況，可采用多脈沖自動增益控制測量方法，該測量方法以雙脈沖自動增益控制測量方法為基礎，以判讀多個連續相鄰的脈沖為特征，具有自動剔除不合格接收信號的功能，以此確保測量的精度和可靠性。以如圖3所示為例連續激發4個脈沖束，4個接收信號中，只有2和3幅值較為接近。按照多脈沖自動增益控制的規律以上一個接收信號幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據。第1個接收信號放大增益由上一次測量決定或由系統預設為某個值，接收信號2的放大增益由接收信號1的幅值決定，接收信號3的放大增益由接收信號2的幅值決定，接收信號4的放大增益由接收信號3的幅值決定。由于接收信號2與3幅值較為接近，可確保接收信號2的幅值對接收信號3增益的調整具有正確的參考意義，因此接收信號3經放大后用于后繼信號處理，其余信號被剔除。以氣體超聲波流量計為例，按一個脈沖束寬度為0.05ms計算，300mm管徑的傳播時間在1.2ms左右，則最大允許連續激發脈沖束數量為20個以上，即只需20個接收信號中有兩個相鄰的接收信號幅值接近即可確保本次測量成功。
針對超聲波多脈沖檢測中接收信號非連續、有效信號篩選困難的特點，采用自動增益控制環路結合時序控制的方式，實現超聲波接收信號的多脈沖自動增益控制。自動增益控制環路如圖4所示，由電壓峰值鎖存電路、電壓比較電路、邏輯控制電路、A/D轉換器、CPU、D/A轉換器及壓控增益放大電路構成。
控制時序如圖5所示，超聲波接收信號經前級固定增益放大及濾波后，由電壓峰值鎖存電路鎖定各脈沖峰值，通過電壓比較電路與設定的閾值電壓比較，當峰值鎖存信號達到閾值電壓門檻后，延時固定時間，邏輯控制模塊控制A/D啟動采樣與轉換，并控制電壓峰值鎖存電路轉換到跟隨狀態。CPU根據A/D轉換結果得到此次脈沖信號峰值數值，進一步計算得到下一個脈沖信號應設增益值，通過D/A設定壓控增益放大電路控制電壓，從而實現增益的有效控制。期間CPU將自動記錄每個信號的峰值，以相鄰信號峰值接近與否為標準，實現有效信號的篩選。
權利要求
1.一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法，其特征在于以多脈沖自動增益控制方法為核心，測量過程中連續激發多個超聲波束，相應接收到多個超聲波束信號，以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，迅速完成放大電路增益的調整，此方法適用于超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計。
2.根據權利要求1所述的一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法，其特征在于測量過程中連續激發多個超聲波束，在接收信號幅值變化不是非常劇烈的情況下，采用連續激發兩個超聲波束完成一次測量；在接收信號幅值變化較為劇烈的情況下，采用連續激發兩個以上超聲波束完成一次測量。
3.根據權利要求1所述的一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法，其特征在于對于接收到的多個超聲波束信號，以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，完成放大增益的自動調節，當連續激發兩個超聲波束時，為雙脈沖自動增益控制，連續激發兩個以上超聲波束時，為多脈沖自動增益控制。
4.根據權利要求1所述的一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法，其特征在于用于超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計中，可提高其在惡劣環境下的測量精度與可靠性。
全文摘要
本發明公開了一種基于多脈沖自動增益控制的超聲波流量與液位測量方法。此方法以多脈沖自動增益控制方法為核心，測量過程中連續激發多個超聲波束，相應接收到多個波束信號，以上一個接收信號的幅值作為下一個接收信號放大增益調整的依據，可迅速完成放大電路增益的調整，使超聲波液、氣體流量計、液位計反應更“靈敏”，可大大提高測量過程中應對接收信號幅值發生頻繁、快速變化的能力，減少漏檢或者誤判，從而大大提高超聲波液體流量計、超聲波氣體流量計及超聲波液位計在惡劣環境下的測量精度與可靠性。
文檔編號G01S15/32GK1975348SQ200610155239
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月15日 優先權日2006年12月15日
發明者傅新, 胡亮, 皺俊, 李以哲, 楊華勇 申請人:浙江大學