超声波气体流量计回波调理电路设计及其仿真

刘珍兴, 秦 华, 刘 琦2,

(1.东华理工大学 信息工程学院，江西 南昌 330013;2. 江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌 330013)

随着工业化水平的不断提高，化工、冶金、气体燃料输送等行业对气体流量计的需求变得越来越大,气体超声波流量计具有无压损、量程比大、精度高等优点(汪伟等，2015)，特别适合测量不易接触和观察的流体以及大口径流量测量领域。超声波在流动的气体中传播会有气体流速信息，因此可以通过超声波的回波信号计算出气体的流速，从而换算成气体在计量时间内通过的流量。由于被测量管道往往存在弯管等情况，造成气体在管道内分布不均匀，在使用单通道超声波流量计测量时测量误差较大，需采用流速分布修正系数进行精度校正，而采用多通道超声波流量计测量可以采集多个管道部位流量信息，能够有效提高测量精度，因此多通道时差法在超声波气体流量计设计中应用广泛(沈子文等，2015)。超声波在气体中传输时，由于能量相对较低，导致信号衰减严重，并且包含大量噪声信号(马勤勇，2021)。本研究根据超声波换能器参数结构，设计一个合理的回波信号调理电路，提高对气体流量测量的准确度。

1 超声波气体流量计原理

超声波气体流量计(时差法)的工作原理如图1所示。

图1 超声波气体流量计原理图Fig.1 Working principle of ultrasonic gas flowmeter

在某一通道上，利用一组超声波换能器交替发送和接收超声波信号。通过测量超声波信号在气体中顺流和逆流的渡越时间差来间接测量气体流速，再通过气体流速计算气体在管道内通过的流量(赵永科等，2011)，通过以上分析可得式(1)：

(1)

式中，Tu为顺流时间(s)，Td为逆流时间(s)，c为超声波在气体中的传播速度(m/s)，V为气体的流动速度(m/s)，D为两个换能器在通道方向的距离(m)。由式(1)可知，气体的流速与超声波顺逆流渡越时间差成正比(Chen et al.,2014)。因此气体流量Q可用下式表示：

(2)

根据以上气体流量计测量原理，确定好管道参数后，只需准确测量渡越时间(Tu-Td)，即图2中的t0时间就可计算出通过管道的气体流量。T1为激励到采样开始的延时时间，T2为采样开始到起始点的时间段，T3为采样开始到确定特征点的时间段。在零流量时，起始点w1比较容易测量，但当流量较大时，w1点的信号信噪比较低，且峰值在不同流速时也不固定。w2为回波信号的峰值固定比例值点。对于不同气体流速下，T3-T2值为一个常数。因此选择特征点w2代替w1来计算出渡越时间。对于渡越时间的计算可变为式(3)：

图2 渡越时间测量Fig.2 Fight-time measurement

Tu-Td=t0=T1+T3-(T3-T2)

(3)

超声波换能器参数属性、驱动和检测方法都会影响到超声波渡越时间的测量准确度。超声波换能器的中心频率、频宽、阻抗、温度以及驱动电压是需要考虑的主要参数。常用的超声波换能器中心频率为40 kHz～1 MHz，而对于气体流量检测常用200 kHz的超声波换能器。

流动气体在管道内的分布并不均匀(胡开明等，2013)，只使用单个通道测量管道内的气体流量并不能充分反映管道内的实际流量，且单个通道的系统误差较大。而多通道气体流量计通过测量每个通道位置的线流速，再通过数据融合和系统规律求得管道内的实际流量。因此多通道超声波气体流量计相比单通道气体流量计其精度更高，系统误差更小(薛冬晨等，2020)。

2 回波信号调理电路设计

2.1 回波信号分析

设计信号调理电路首先要分析输入的回波信号属性，典型的超声波回波信号波形如图3所示，超声波回波信号的阻尼余弦曲线模型如式(4)所示。

图3 超声波回波信号波形Fig.3 Ultrasonic echo signal

V(t)≈V0·tm·e-t/h·cos(wct+θ)

(4)

式中，V是回波信号幅值，h和θ是由超声波换能器特性决定的常数，wc为信号的中心频率，V0为超声波发生器产生信号，t为时间(ms)，m为传播次数。

回波信号类似一个阻尼衰减包络曲线乘以余弦波信号，其最高频率为激励时的超声波信号频率。由于激励信号频率为200 kHz。因此需设计一个奈奎斯特频率远大于200 kHz的电路。本系统设计为一个通带大于10 MHz的采集系统，即50倍信号频率带宽，这样能够保证信号低失真地被采集出来。

超声波在气体中传输时，由于能量相对较低，因此信号衰减严重，并且包含大量噪声信号。因此，根据超声波换能器参数结构，设计一个合理的回波信号调理电路，对气体流量测量的准确度起着至关重要的作用

2.2 信号调理电路整体结构

本次所设计超声波回波信号调理电路整体结构如图4所示。

图4 超声波回波信号调理电路结构Fig.4 Circuit structure of ultrasonic echo signal conditioning

为了将微小的回波信号检测出来，采用3级放大电路实现回波信号的放大。Vin端为超声波信号接收器接收的微弱回波信号，由于该信号幅度非常小，容易被噪声信号淹没，所以第1级作为输入缓冲前置放大器，该级放大器紧邻超声波信号接收器，主要采用低噪声、高增益带宽积集成运放，以避免接收电路引入噪声对信号的影响。选用ADI公司的AD8065高性能、高增益带宽积运算放大器，其输入电压噪声谱密度仅有7 nV/Hz，压摆率在增益为2时能够达到180 V/μs，非常适合作为超声波调理电路输入缓冲级。

由于超声波回波信号的幅度受到气体流速、换能器安装位置、换能器老化等因素影响，因此调理电路的中间放大级使用增益可调的放大器。该级放大器作为信号的主放大器，将信号放大至AD所需的幅度范围。选用AD603作为可变增益放大器，其能够在90 MHz带宽下达到31 dB的放大增益，且可变增益与带宽无关。其电压噪声谱密度仅为1.3 nV/Hz，能够保证无失真地放大输入信号。AD603通过VPOS与VNEG引脚的电压差控制其增益，使用LTC1448双路12位DAC芯片通过软件方法自动调节放大器增益。

后级ADC需要差分信号输入，因此选用AD8138低失真差分ADC驱动器作为单端转差分放大器，其增益带宽积为320 MHz,在5 MHz时，其无杂散动态范围能够达到-94 dB,压摆率能够达到1 150 V/μs，非常适合作为高速ADC差分驱动。后级的抗混叠滤波器将信号衰减一半，因此将AD8138的增益固定设置为6.02 dB。后级高速ADC使用单电源5 V供电，因此将AD8138输出差分信号的共模电压设置为中间值2.5 V。

为了防止普通的电阻分压电路带来噪声，因此选用REF192精密基准电压源芯片输出2.5 V基准电压供给AD8138与LTC1448芯片使用。

2.3 可调增益放大器

可调增益放大器电路如图5所示，AD603的输入输出都接有1 μF电容用于交流耦合。由于是正负电源供电，所以不需要直流偏置。共模电压设置为0 V,因此将COMM端短接到地。FDBK引脚用于设置可调增益范围，当直接接到VOUT引脚时，可以提供-10 dB至+30 dB的增益。既可衰减输入信号，也可以放大输入信号。由于AD603的增益由VOUTA-VOUTB设定，因此可以使用DAC芯片LTC1448用于改变电压从而实现软件调节增益(杨继，2018)。

图5 可调增益放大器Fig.5 Adjustable gain amplifier

2.4 单端转差分放大器

当输入信号包含各频率信号的连续波时，单端放大器与差分放大器的输出可表示为傅里叶级数公式。

单端放大器输出如式(5)和(6)所示。

(5)

Vout=C0+C1(cosωt)+C2(cosωt)2+C3(cosωt)3+…+Cn(cosωt)n

(6)

差分放大器输出如式(7)至(10)所示。

Vout=Vout+-Vout-=∑[Cn(Vin+)n-Cn(Vin-)n]

(7)

Vout+=C0+C1(cosωt)+C2(cosωt)2+C3(cosωt)3+…+Cn(cosωt)n

(8)

Vout-=C0+C1(-cosωt)+C2(-cosωt)2+C3(-cosωt)3+…+Cn(-cosωt)n

(9)

Vout=2C1(cosωt)+2C3(cosωt)3+…+2Cn(cosωt)2n-1

(10)

从单端放大器与差分放大器的输出公式可以看出，差分放大器相比单端放大器少了2n次谐波分量,使有用信号幅度加倍。另外，由于差分信号的变化产生相反磁场，因此差分系统的EMC性能较好(霍红庆等，2019)。

图6 单端转差分放大电路Fig.6 Single ended amplifier convert to differential amplifier circuit

2.5 差分抗混叠滤波器

为了提高信噪比，根据电路需求，设计截止频率为20 MHz，输入阻抗为100 Ω，输出阻抗为100 Ω，增加滚降速率为-200 dB/d的5阶差分抗混叠滤波器，电路如图7所示。

图7 5阶差分抗混叠滤波器Fig.7 Anti-aliasing filter

3 电路仿真及仿真结果分析

使用TINASpice仿真工具对信号调理级电路进行仿真，仿真模型基于ADI公司的Spice元件模型。仿真电路如图8所示。

图8 信号调理电路仿真Fig.8 Simulation of signal conditioning circuit

电路中电源输出包含一定大小的纹波用于仿真实际系统(管小明等，2010)，用两个包含纹波的电源作为双路DAC输出仿真模型。激励信号设置为1.5 V偏置电压、1 V峰值、200 kHz频率的正弦波。总增益通过调节DAC输出电压设置为1即0 dB增益。

信号调理仿真电路的输入输出波形如图9所示，输入输出信号波形基本一致，且相位保持同步，直流特性好。

图9 输入输出波形Fig.9 The input/output waveforms

幅频特性及相频特性曲线如图10所示。由于输入缓冲级和可调增益放大级之间是交流耦合的，并且抗混叠滤波器是低通滤波器，所以使得信号相当于通过一个带通滤波器，带宽为20.5 MHz,在200 kHz信号左右，其带内插入损耗的波动小于0.1 dB，通带内平坦度非常好。在信号幅度-3 dB、截止频率20.59 MHz点后，阻带内下降速度非常快，能够达到每十倍频程210.5 dB。

图10 幅频特性及相频特性曲线Fig.10 Amplitude frequency characteristic and phase frequency characteristic curve

从相频特性曲线可以看出，在1 kHz到10 MHz频率范围内相位变化几乎为0，因此可以保证系统在此频率范围内的相移最小，避免产生自激现象。

系统信噪比曲线如图11所示。整个带通范围内，系统的信噪比都大于70 dB。在信号频率200 kHz左右，其信噪比可达到93 dB,高信噪比可以有效地减小由噪声带来的误差。

图11 信噪比曲线Fig.11 Signal to noise ratio curve

4 结论

通过对该电路的直流特性、交流特性、幅频特性、相频特性、噪声等性能指标进行分析。可以看出，该电路输入输出信号相位基本同步，直流特性好；当信号频率为200 kHz时，其带内插入损耗的波动小于0.1 dB，通带平坦；在信号幅度-3 dB、截止频率20.59 MHz点后，阻带内滚降速度非常迅速，信号频率在1 kHz到10 MHz范围内相位变化几乎为0；输入信号频率200 kHz时，其信噪比可达到93 dB。仿真结果可以看出所设计电路结构简单、可靠性好，能够满足超声波气体流量计回波信号处理需求。