超声波气体流量计回波调理电路设计与仿真

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量越来越大。 气体超声波流量计具有无压力损失、量程比大、精度高等优点(王伟等，2015)，特别适合测量难以接近和观察的流体以及大口径流量测量。字段。 超声波在流动气体中的传播会产生气体流量信息。 因此，通过超声波的回波信号可以计算出气体的流量，从而将其转换为测量时间内通过的气体的流量。 由于被测管道经常存在弯道等，导致管道内气体分布不均匀，因此使用单通道超声波流量计时测量误差较大。 需要采用流速分布修正系数进行精度修正，而采用多通道超声波流量计。 仪表测量可以采集管道多个位置的流量信息，可以有效提高测量精度。 因此，多通道时间差法被**应用于超声波气体流量计的设计中(沉子文等，2015)。 超声波在气体中传输时，由于能量相对较低，信号衰减严重，且含有大量噪声信号(马勤勇，2021)。 本研究根据超声波换能器的参数结构设计合理的回波信号调理电路，以提高气体流量测量的精度。

01

超声波气体流量计原理

超声波气体流量计（时差法）工作原理如图1所示。

在某一通道上，采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传播时间差来间接测量气体流量，然后通过气体流量计算出通过管道的气体流量（赵永科等，2011）。 通过上述分析，可得式（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 为气体流速（m /s），D为两个通道方向上两个换能器之间的距离（m）。 从式（1）可以看出，气体的流量与超声波正向和反向流动的时间差成正比（Chen等，2014）。 因此，气体流量Q可用下式表示：

根据上述气体流量计测量原理，确定管道参数后，通过精确测量渡越时间（Tu-Td），即图2中的t0时间，即可计算出通过管道的气体流量。T1为从励磁到开始采样的延迟时间，T2是从开始采样到开始点的时间，T3是从开始采样到确定特征点的时间。 在零流量时，起始点w1相对容易测量，但当流量较大时，w1处信号的信噪比较低，并且在不同流量下峰值不固定。 w2是回波信号的峰值固定比例值点。 对于不同的气体流量，T3-T2值是一个常数。 因此，选择特征点w2代替w1来计算渡越时间。 通过时间的计算可改为式(3)：

超声波换能器的参数属性、驱动和检测方法都会影响超声波传播时间的测量精度。 超声换能器的中心频率、带宽、阻抗、温度和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40kHz～1MHz，对于气体流量检测常用超声波换能器。

管道内流动气体分布不均匀(胡凯明等，2013)。 仅利用单通道测量管道中的气体流量并不能完全反映管道中的实际流量，且单通道的系统误差较大。 多通道气体流量计测量每个通道位置的线流速，然后通过数据融合和系统规则获得管道中的实际流量。 因此，多通道超声波气体流量计比单通道气体流量计具有更高的精度和更小的系统误差（薛东辰等，2020）。

02

回波信号调理电路设计

1 回波信号分析

为了设计信号调理电路，我们必须首先分析输入回波信号的特性。 典型的超声回波信号波形如图3所示，超声回波信号的阻尼余弦曲线模型如式（4）所示。

V(t)≈V0·tme·et/h·cos(wct+θ) (4) 式中，V为回波信号幅度，h、θ为由超声换能器特性决定的常数，wc为信号 的中心频率，V0 是超声波发生器产生的信号，t 是时间（ms），m 是传播次数。 回波信号类似于阻尼衰减包络曲线乘以余弦波信号，其**频率为激励时的超声信号频率。 由于激励信号频率为。 因此，有必要设计奈奎斯特频率远大于的电路。 本系统设计为通带大于10MHz的采集系统，即信号频率带宽的50倍，保证了信号的低失真采集。

超声波在气体中传输时，由于能量相对较低，信号衰减严重，且含有大量噪声信号。因此，根据超声波换能器的参数结构设计合理的回波信号调理电路至关重要。影响气体流量测量的准确性。

2 信号调理电路总体结构

本次设计的超声回波信号调理电路的总体结构如图4所示。

为了检测微小的回波信号，采用三级放大电路对回波信号进行放大。 Vin端是超声波信号接收器接收到的微弱回波信号。 由于信号幅度很小，很容易被噪声信号淹没，因此**级用作输入缓冲前置放大器。 该级放大器靠近超声波信号接收器，主要采用低压放大器。 噪声方面，高增益带宽集成运算放大器，避免接收电路引入的噪声对信号的影响。 选用ADI**的高性能、高增益带宽产品运算放大器。 其输入电压噪声谱密度仅为7nV/Hz，增益为2时转换速率可达180V/μs。非常适合作为超声波调理电路的输入缓冲级。 。

由于超声回波信号的幅度受气体流量、换能器安装位置、换能器老化等因素的影响，因此采用增益可调的放大器作为调理电路的中间放大级。 这级放大器作为信号的主放大器，将信号放大到AD要求的幅度范围。 选用AD603作为可变增益放大器，在90MHz带宽下可实现31dB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1.3nV/Hz，可以保证输入信号的放大不失真。

AD603通过VPOS和VNEG引脚之间的电压差来控制其增益，并采用双通道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，因此选择低失真差分ADC驱动器作为单端转差分放大器。 其增益带宽积为。 在5MHz时，其无杂散动态范围可达-94dB，压摆率可达1150V/μs，非常适合作为高速ADC差分驱动器。

后级的抗混叠滤波器将信号衰减一半，因此的增益固定为6.02dB。 后级高速ADC采用5V单电源，因此输出差分信号的共模电压设置为中间值2.5V。

为了防止普通电阻分压电路带来噪声，选用精密基准电压源芯片输出2.5V基准电压供和芯片使用。

3可调增益放大器

可调增益放大器电路如图5所示。AD603的输入和输出端接1μF电容进行交流耦合。 由于它是由正负电源供电，因此不需要直流偏置。 共模电压设置为0V，因此将COMM 端子短接到地。 FDBK引脚用于设置可调增益范围。 当直接连接到VOUT引脚时，它可以提供-10dB至+30dB的增益。 它既可以衰减也可以放大输入信号。 由于AD603的增益是由VOUTA-VOUTB设定的，因此可以利用DAC芯片改变电压来实现增益的软件调整（杨吉，2018）。

4路单端转差分放大器

当输入信号包含各种频率信号的连续波时，单端放大器和差分放大器的输出可以表示为傅里叶级数公式。 单端放大器输出如公式(5)和(6)所示。

差分放大器输出如等式(7)至(10)所示。

从单端放大器和差分放大器的输出公式可以看出，差分放大器比单端放大器少了2n次谐波分量，使有用信号的幅度增加了一倍。 另外，由于差分信号的变化会产生相反的磁场，因此差分系统的EMC性能更好（霍洪清等，2019）。

由于超声波换能器的输入信号是单端信号，而ADC是差分输入，因此需要将回波信号转换为差分信号输入到ADC中。 选用作为单端转差分电路，可直接驱动ADC。 VOCM引脚为共模电压输入端，2.5V参考电压由产生。 一端的增益为G=RfRi，此处两端增益均设置为2。 单端放大器转差分放大器电路如图6所示。

5 差分抗混叠滤波器

为了提高信噪比，根据电路要求，截止频率为20MHz，输入阻抗为100Ω，输出阻抗为100Ω，采用5阶差分抗混叠滤波器，添加-200dB/d 的滚降率。 其电路如图7所示。

03

电路仿真及仿真结果分析

仿真工具用于仿真信号调理级电路。 该仿真模型基于ADI 的Spice 组件模型。 仿真电路如图8所示。

电路中的电源输出包含一定大小的纹波，用于模拟实际系统（关晓明等，2010）。 采用两个含有纹波的电源作为双通道DAC输出仿真模型。 激励信号设置为偏置电压1.5V、峰值1V、频率的正弦波。 通过调整 DAC 输出电压将总增益设置为 1 或 0dB 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，相位同步，直流特性良好。

幅频特性和相频特性曲线如图10所示。由于输入缓冲级和可调增益放大器级是交流耦合的，并且抗混叠滤波器是低通滤波器，因此信号等效为通过带宽为20.5MHz的带通滤波器，信号在带内插入损耗波动小于0.1dB，通带内平坦度非常好。 信号幅度为-3dB、截止频率为20.59MHz后，阻带内下降速度很快，达到每十倍频程210.5dB。

从相频特性曲线可以看出，在1kHz~10MHz频率范围内，相位变化几乎为0。 因此，可以保证系统在该频率范围内的相移**小，避免自激现象。

系统信噪比曲线如图11所示。在整个带通范围内，系统信噪比大于70dB。 在左右的信号频率下，信噪比可达93dB。 高信噪比可以有效减少噪声引起的误差。

作者刘振兴介绍了该电路的直流特性、交流特性、幅频特性、相频特性、噪声等性能指标。 可以看出，该电路的输入输出信号相位基本同步，直流特性良好； 信号频率为时，带内插损波动小于0.1dB，通带平坦； 在信号幅度为-3dB时，截止频率为20。59MHz点后，阻带内的滚降速度非常快，信号频率范围1kHz到10MHz内的相位变化几乎为0； 当输入信号频率为时，信噪比可达93dB。 仿真结果表明,所设计的电路结构简单、可靠性良好,能够满足超声波气体流量计的回波信号处理要求。

参考：

[1]刘振兴，覃华，刘琪。 超声波气体流量计回波调理电路设计与仿真[J]． 东华理工大学学报（自然科学版）, 2021, 44(05): 488-493.

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