一种高抗干扰高精度气体超声流量计
技术领域
本实用新型涉及一种利用时差法的气体超声流量计及其回波信号测时方法，特别是用编码信息来锁定超声波回波信号的特征波，并将回波信号通过过零比较器后，用专用定时器来测量回波信号的到达时间。
背景技术
由于气体超声流量计测量精度高、量程比大、无压损等优点，被广泛应用于天然气等气体流量的测量领域。利用超声波测量管道内气体流速的方法有很多种，然而传播时间差法，因不受温度、压力、气体成分等因素影响，故而被广泛采用。在测得顺流和逆流传播的两个超声波信号的传播时间后，通过计算就可以得到我们想要的数据，如气体声速、流速、流量等。传播时间差法的关键就是准确的测量超声波回波信号的到达时间，回波信号到达时间需要根据回波信号上某一稳定的波来确定。设计人员都把重点放在了如何确定超声波回波信号的特征波，以此作为测量超声波回波信号到达的参考。
有一种方法，设计人员把接收到的超声波回波信号经过滤波、放大等一系列的处理，监测回波信号，当回波信号幅度大于固定电平阀值时，或监测到最大峰值时，就会使能过零比较器输出；这里，符合幅度大于固定电平阀值的那个波和最大峰值所对应的那个波，就是特征波。超声波回波信号通过过零比较器后，输出为方波信号，用专门的测时芯片就可以精准的测得超声波回波信号的到达时间。然而，由于超声波信号在气体中传播时，随着气体流速的增加，其能量衰减也越来越大，使回波信号幅值微弱，易受噪声干扰，且由于气体湍流、杂质、管道震动及阀门开关、调压等各种因素影响，接收到的超声波回波信号发生了无规律的变化，这使得用固定阀值法、最大峰值法等测量方法确定超声波回波信号的到达时间，都会产生较大的波动，影响测量精度。另一种方法，单片机通过高速AD转换芯片对超声波回波信号采样，并将采样值保存在单片机内存的AD采样数组中，单片机对采样值数字滤波，消除干扰信号，在AD 采样数组中找出最大采样值，这个采样值对应的是回波信号的最大峰值，作为特征波，或根据阀值电平对应的AD值，找出两个波峰所对应的AD采样值，使得前一个AD采样值小于阀值电平对应的AD值，后一个AD采样值大于这个阀值电平对应AD值，后一个波作为特征波；单片机以特征波的AD采样值在AD采样数组中的下标为起始点，在AD采样数组中找到过零点前后相邻的两个AD采样值，根据这两个采样值在AD采样数组中的下标和AD采样频率，就可以计算出这两个点的时间，利用线性插值的方法计算出过零点的时间，这个时间就是超声波回波信号的到达时间，然后减去一个固定的延时就得到了超声波的传播时间。这种测时方法提高了抗干扰能力，特别是带有编码信息的超声波回波信号的测时。但在时间测量精度上要严重依赖高速模拟转换芯片的采样速率，时间测量精度不如用过零比较的测时方法，特别是在气体流速很小的情况下，这种差异更为明显。
实用新型内容
为了能够提高超声波流量计超声波传播时间测量的可靠性且保证很高的测量精度，本实用新型提供了一种有效的方法，通过超声波信号编码识别特征波，且用过零比较的方法测量超声波回波信号的到达时间。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种高抗干扰高精度气体超声流量计，包括：FPGA控制器、过零比较器、高速ADC、超声波收发单元以及ARM控制器，所述ARM控制器与所述FPGA控制器连接；
所述FPGA控制器与所述超声波收发单元连接，切换超声波换能器的发射和接收通道；
所述FPGA控制器与所述高速ADC连接，且控制高速ADC的采样和停止，并读取转换数据，转换数据保存在FPGA控制器中；
所述FPGA控制器与所属过零比较器输出连接，捕获由过零比较器输出的脉冲信号的下沿的到达时间，并保存到FPGA控制器中。
作为上述技术方案的改进，所述高抗干扰高精度气体超声流量计的测量方法如下：
S1：ARM控制器通知FPGA控制器启动一轮检测，FPGA控制器控制超声波收发单元切换超声波发射通道和接收通道，FPGA控制器产生带有编码信息的激励信号；
S2：FPGA控制器启动高速ADC采样超声波回波信号，同时使能定时器捕获过零比较器送过来的脉冲信号的下降沿；
S3：根据高速ADC转换值在AD采样数组中的序号和高速ADC采样频率，计算出超声波回波信号各峰值间的时间差；
S4：根据上述时间差找到相位突变点的后面一个波为特征波，并计算出特征波的峰值的到达时间；
S5：特征波到达时间开始在时间捕获数组中找出3个脉冲下沿的捕获时间，将这三个时间算术平均作为回波信号的到达时间。
作为上述技术方案的改进，超声波带有编码信息的激励信号是这样产生的， FPGA控制器先输出3个高电平在前低电平在后的脉冲，然后输出3个低电平在前高电平在后的脉冲，然后再输出3个高电平在前低电平在后的脉冲。
作为上述技术方案的改进，高速ADC采样的超声波回波信号的各点的采样值被保存在FPGA控制器内部RAM中定义的采样数组中，定时器捕获的超声波回波信号的脉冲信号下沿的时钟计数值也被保存在FPGA控制器内部RAM中定义的时间捕获数组中。
作为上述技术方案的改进，超声波回波信号经过滤波后被分成两路，其中一路超声波回波信号被送到高速ADC供高速ADC采样,另一路超声波回波信号被送到过零比较器，由过零比较器产生脉冲信号，然后脉冲信号被输送到FPGA控制器，供FPGA控制器捕获各脉冲信号的下沿的到达时间。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
本实用新型用经过编码的脉冲信号作为超声波发射换能器的激励信号，发射换能器受激励后产生的超声波信号也带有这种编码信息，超声波信号通过飞行后到达接收换能器，接收换能器接收到的回波信号也带有同样的编码信息。此外，超声波回波信号被高速AD芯片采样，并暂存在FPGA中，等接收完后送到ARM处理，ARM通过编码信息就很容易找到特定波，与此同时另一路超声波回波信号，通过硬件滤波、放大、过零比较输出等一系列处理产生一串脉冲波，输入到ARM的高级定时器，ARM高级定时器捕获每个脉冲信号的下降沿并暂存在 ARM中，找到了特征波，就能知道特征波的到达时间，根据特征波我们就找到了超声波回波的到达时间。
附图说明
图1为本实用新型测量方法实施例工作原理框图；
图2为本实用新型带编码信息的超声波回波信号。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示：ARM芯片与FPGA芯片连接，ARM通知FPGA启动一轮检测，待超声波回波信号被接收后，FPGA通知ARM读取数据，ARM通过数据接口将超声波回波信号的AD转换值和FPGA捕获的脉冲信号的时间，分析AD转换值，识别编码信息，得出超声波传播时间。
FPGA芯片与超声波收发单元连接，切换超声波换能器的发射和接收通道。
FPGA芯片与高速AD转换器连接，控制高速AD转换器的采样和停止，并读取转换数据，转换数据保存在FPGA中。
FPGA与过零比较器输出连接，捕获由过零比较器输出的脉冲信号的下沿的到达时间，并保存到FPGA中。
步骤：
ARM通知FPGA启动一轮检测，FPGA控制超声波收发单元切换超声波发射通道和接收通道，FPGA产生带有编码信息的激励信号，同时根据被测气体管道的口径，启动定时器延时一段时间；FPGA内部定时器定时时间到了后，启动高速 AD转换器采样超声波回波信号，同时使能定时器捕获过零比较送过来的脉冲信号的下降沿；高速AD的采样值和定时器的捕获值分别被保存在FPGA的内部RAM 中；FPGA检测到超声波回波信号接收完毕后就停止高速AD转换器和定时器捕获，同时通知ARM读取数据。
ARM接到ARM的读取数据的通知后，就从FPGA读取超声波回波信号的AD转换值和脉冲时间捕获值；通过数字滤波，把超声波回波信号的峰值过滤出来，然后根据AD转换值在AD采样数组中的序号和高速AD的采样频率，计算出超声波回波信号各峰值间的时间差(超声波回波信号的周期)；在含有编码信息的地方相位就会突变，相位突变点的前后两个峰值之间的时间差有明显的变化，根据这个时间差就找到了相位突变点的后面一个波为特征波，并计算出特征波的峰值的到达时间；然后从特征波到达时间开始在时间捕获数组中找出3个脉冲下沿的捕获时间，然后将这三个时间算术平均作为回波信号的到达时间。超声波回波信号的到达时间减去一个固定的延时值，就可以得到超声波信号的传播时间。
同样的方式测得各声道的超声波信号的传播时间，然后利用时差法计算出管道内气体的流速、声速和流量。
超声波带有编码信息的激励信号是这样产生的，FPGA先输出3个高电平在前低电平在后的脉冲，然后输出3个低电平在前高电平在后的脉冲，然后再输出3个高电平在前低电平在后的脉冲。
高速AD采样的超声波回波信号的各点的采样值被保存在FPGA内部RAM中定义的采样数组中，定时器捕获的超声波回波信号的脉冲信号下沿的时钟计数值也被保存在FPGA内部RAM中定义的时间捕获数组中。
超声波回波信号经过滤波后，被分成两路，其中一路超声波回波信号被送到高速AD转换器，供高速AD控制器采样；另一路超声波回波信号被送到过零比较器，由过零比较器产生脉冲信号，然后脉冲信号被输送到FPGA，供FPGA捕获各脉冲信号的下沿的到达时间。
如图2所示：为带有编码信息的超声波回波信号，其中第5、6峰值和第8、 9处有相位变化。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
