針對氣體超聲波流量計信號衰減嚴重、干擾較大的問題,設計了一種適用于氣體超聲波流量計的 互易性收發(fā)電路，以消除零點漂移現(xiàn)象提高流量計的測量準確度。換能器配對實驗和溫度實驗表明：互易 性測量系統(tǒng)顯著改善了流量計的零點漂移問題，并具有良好的測量穩(wěn)定性。

0.引言

零點漂移現(xiàn)象不僅影響超聲波流量計（USMs) 1測量 結果的穩(wěn)定性,更嚴重影響流量計在小流量時測量準確度。 通過設計互易性收發(fā)電路,使超聲波測量系統(tǒng)工作在互易 模式下是解決零點漂移問題的有效途徑。根據(jù)電聲互易理 論,若系統(tǒng)工作在互易模式下，則在零流速,順逆流接收信 號的幅值和相位將會完全一致,故而系統(tǒng)的零點誤差和零 點漂移也會被完全消除。1982年,Hemp J首先將電聲互易 原理引入到超聲波流量計測量領域，并對其進行了證 明0。2002年,Van Deventer J等人指出在非互易性操作的 情況下，換能器的參數(shù)的改變會造成零點漂移現(xiàn)象3。 2006年,Borg J等人設計了一種脈沖電流源的激勵電路，改 善了流量計的零點漂移現(xiàn)象48。2007年，Lunde P等人通 過理論計算給出了超聲波流量計互易性電路阻抗匹配的設 計準則H。2013年,Bo Y等人設計了一種適用于液體超聲 波流量計的互易性收發(fā)電路，有效地增強了順逆流接收信 號的一致性。

本文在首期研究基礎上首次將互易性電路的設計應用 于氣體超聲波流量計中，設計了一種阻抗匹配的氣體超聲 波流量計收發(fā)電路，實現(xiàn)了互易性氣體超聲波流量計測量 系統(tǒng),進行了靜態(tài)下不同換能器的配對實驗和溫度實驗。

1.互易性電路設計

電路的設計應當從發(fā)射電路和換能器直接連接的一級 信號接收處理電路入手，實現(xiàn)阻抗匹配。

1.1發(fā)射電路

超聲波在氣體中的衰減比較嚴重，為了得到信噪比較 高的接收信號,就需要給換能器較大幅值的脈沖激勵。本 文發(fā)射電路如圖1所示。在該電路中，T1為高頻變壓器， 變比為1 : 3, M1, M2, M3, M4為功率M0SFET,依次控制 (M1,M3)和（M2, M4)兩組M0SFET導通即可通過推挽,在 變壓器原邊得到峰峰值為30V的方波信號。S為模擬開 關，導通電阻值為Ra,用以切換換能器。變壓器的使用將 電路原本在變壓器原邊的等效阻抗換算到變壓器副邊后變 為原來的9倍。兩組M0SFET導通時的導通阻值之和同為 0.108 fi。則變壓器副邊的等效阻抗為Rm = 9x0. 108 =fioRS為匹配電阻器。因此，電路的等效阻抗&可由式（1)計算

ZS = Rm + RA + RS

1.2接收電路

超聲波初級接收電路如圖2所示。主要由模擬切換開 關和電壓跟隨電路組成。接收電路中使用的模擬開關與發(fā) 射電路使用的模擬開關相同，其導通阻值可以完全抵消。 在電壓跟隨電路中，運算放大器的放大倍數(shù)足夠大，在分析 電路時可以認為，運放兩輸入端的電位近似相等，流過運放 輸入端的電流近似為零。接收電路的等效阻抗就可以看成 模擬開關的導通阻值與匹配電阻Rl的和，而與后序的放大 處理等電路無關。即

ZL= Ra + Rl (2)

對比式（1)可以發(fā)現(xiàn)，只要設置合適的值使R,s + Rm與 Rl的值相等，即可實現(xiàn)阻抗匹配。在一般情況下，Rm不足 1 H的阻值對結果的影響可以忽略，只要匹配合適的Rs與 Rl的值使其相等即可實現(xiàn)理論上的阻抗匹配。

2.電路實現(xiàn)和實驗結果

2. 1實驗測量系統(tǒng)

超聲波流量計測量系統(tǒng)如圖3所示。測量系統(tǒng)使用 MSP430249作為處理器。接收到的超聲波信號經(jīng)過放大, 自動增益控制等將信號放大到標準大小，通過雙閾值法處 理信號，以特征過零點作為信號的到達時鐘。計時模塊采 用高分辨率測時芯片TDC-GP21,測量精度可達22 ps,保證 了時間測量的精度要求。測量系統(tǒng)還包括按鍵,液晶顯示, 存儲器等外圍模塊。

流量計管節(jié)的內(nèi)徑為100mm,2只超聲波換能器呈45° 安裝于管節(jié)的兩側。系統(tǒng)通過RS-485通信實時測得的流 量傳輸?shù)?/span>PC端。在實際靜態(tài)實驗中使用了互易（系統(tǒng)1) 和非互易（系統(tǒng)2) 2套測量系統(tǒng)來驗證互易電路設計的有 效性。在系統(tǒng)1中，發(fā)射電路和接收電路均采用前文設計 的電路，匹配阻值設置為R,s = Rl =2kfi。系統(tǒng)2使用的發(fā)射電路去掉了匹配電阻，即Rs =0,在接收電路模塊,將換能 器直接與一級放大電路相連接。其他模塊兩系統(tǒng)完全一 致。測量系統(tǒng)使用4個頻率為125 kHz的方波作為激勵信 號。分別進行了換能器配對實驗和溫度實驗以驗證互易系 統(tǒng)對零點問題的改善。

2.2換能器配對實驗

換能器的差異是產(chǎn)生零點誤差問題的直接原因。圖4 給出了在不同換能器配對的情況下，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2在室 溫(20T：)下的靜態(tài)測量流速值。實驗共使用了 4個AT120 系列的超聲換能器，故共產(chǎn)生6種不同的配對情況。分別 記錄兩系統(tǒng)在使用6對不同換能器時的靜態(tài)測量值。每次 記錄時間為6min,測量結果通過RS-485通信實時傳到PC 端,計算6 min的測量平均值作為最終的零點測量值。

由圖4可以看出，在不同換能器配對的情況下，系統(tǒng)1 的零點測量值較系統(tǒng)2的測量值小得多。系統(tǒng)1在不同配 對情況下測得的零點流速均小于0. 002 m/s。根據(jù)超聲流 量計檢定規(guī)程JJG 1030-2007的規(guī)定8 ,氣體超聲波流量計 的零點誤差不能超過0. 012 m/s, 1級精度的氣體超聲波流 量計在分界流量以下的測量誤差不能超過2%。氣體超聲 波流量計一般可以測量的最小流速為0. 3 m/s,則在此流速 下超聲波流量計的最大可允許測量誤差為±0.006 m/s。實 驗中，系統(tǒng)1的零點測量誤差值小于流量計的最大可允許 測量誤差，滿足測量的精度要求。

2. 3溫度實驗

溫度是在超聲波流量計的實際應用中影響換能器性能的重要因素，也是造成零點漂移問題的原因之一。圖5給 出了在不同溫度下，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同一對換能器在 靜態(tài)下的測量流速值。在該實驗中，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用 同樣的管節(jié)和同一對已經(jīng)配對的換能器，測量管節(jié)被放置 在恒溫箱中，通過改變溫箱的設定溫度來改變管節(jié)所處的 溫度。待溫度穩(wěn)定后,分別記錄兩系統(tǒng)的靜態(tài)測量值，記錄 方法與前述實驗相同。

由圖5可得：在不同溫度下，系統(tǒng)1測量值的變化范 圍為-0.0026 ~0.0001m/s,系統(tǒng)2測量值的變化范圍為 -0.0026 ~0.0033m/s。系統(tǒng)1測量值的變化范圍較系 統(tǒng)2小了 1倍，說明系統(tǒng)1對于溫度漂移問題具有抑制 性。在實驗的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)1零點測量值的溫漂變化 范圍同樣小于最大可允許測量誤差，滿足測量的精度 要求。

3.結論

設計了一種阻抗匹配的收發(fā)電路，實現(xiàn)了測量系統(tǒng)的 互易性。進行了實際的換能器配對實驗和溫度實驗,在人 為改變流量計所使用的換能器性能和流量計所處溫度的情 況下，互易性系統(tǒng)的零點測量誤差均小于0. 003 m/s。完全 滿足超聲流量計檢定規(guī)程JJG 1030-2007的要求。實驗結 果驗證了電路設計的有效性,體現(xiàn)出互易性超聲流量計測 量系統(tǒng)對于零點誤差和零點漂移問題的抑制性。