一種測量超聲回波飛行時間的方法及設備的製作方法
2023-05-14 10:14:56 2
專利名稱：一種測量超聲回波飛行時間的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在超聲流量計中測量超聲回波飛4亍時間的方法以及設 備，可以應用於儀器儀表、高能物理、雷射測距、雷達測距或者前端電子 學等領域。
背景技術：
超聲波流量計是一種利用超聲波信號在流體中傳播時所載流體的流速 信息來推算流體流量的新型流量儀表，其具有非接觸式測量、測量精度高、 測量範圍寬、安裝維護方便等特點，特別適合用於臨時管道流量、大口徑 管道流量以及危險性流體流量的測量。根據超聲流量測量方程，流量計算 與管道幾何尺寸和流體流速有直接關係，而流體流速與超聲波在流體中飛 行時間成正比關係。幾何尺寸的測量手段在目前技術條件下已十分成熟， 所以流體流速是超聲流量測量精度的關鍵決定因素。
超聲流量計的超聲回波飛行時間是指超聲波信號從發射端通過流體介
質到達接收端所經歷的時間間隔長度，其測量原理如圖l所示，其中7;為 精確的飛行時間，7;為實際測得的飛行時間。測量原理是在發射信號時開
始計時，當接收信號達到預定的閾值之後停止計時，從而測出信號傳播的 時間間隔。實際測量中t;與？；總是存在一定的誤差。
為了降低飛行時間的測量誤差，提高超聲波順逆程時間差的測量精度， 目前普遍採用的方法有如下幾種
(l)直接計數法，其測量原理如圖2所示，在發射超聲波信號時啟動 計數器，接收到回波信號時停止計數器計數，測量時間
r =打7; (l)
該方法在發射端和接收端的量化誤差分別是at^和Ar2,總量化誤差為 △ = Ar1+Ar2,總量化誤差a的最大值為l個脈衝周期7;,也就是說該方法的最小分辨力為z;，其大小取決於計數器系統能夠提供的計數頻率。直接計 數法的優點是測量範圍寬，通過提高計數器時鐘頻率能直接提高測量精度。
但是要實現lOOps的解析度，其計數頻率需要達到10GHz,信號達到微波
段。這樣的信號不僅難以產生，準確性難以保證，而且由於分布參數效應，
在普通電路中不易實現。因此，目前該方法只能達到ns級的精度。
(2)模擬內插法，也稱時間放大法，其硬體結構如圖3所示，通過一 個高速轉換開關在需要測量的飛行時間內用大恆流源充電，而後用小恆流
源的比值即時間放大倍數。
其中，恆流源/,對電容進行充電，恆流源/2對電容進行;汰電，恆流源
比值^^i/為時間放大倍數，r為待測飛行時間，7;為r放大後的時間段。
模擬內插法的誤差來源於①原理誤差，在將模擬量^r轉換成數字量 7V7;的過程中產生的，無法克服；②時間擴展的非線性，也是最主要的誤差 來源，由於時間擴展採用的都是模擬器件，因此本身存在不可預測性；③ 隨機誤差，如觸發誤差等；④時鐘的穩定度帶來的誤差；⑤環境溫度以及 外部幹擾等引起的誤差，存在死區電壓。
模擬內插法的優點是理論測量精度高，《值最大可以取到104。但該方 法利用對一個電容充放電以進行測量，屬於模擬過程，在集成晶片中難以 採用，可能存在起點死區、終點死區和零區非線性等問題，而且理想的恆 流源也難以實現，因為實際恆流電路肯定會受電壓漂浮、溫度變化等因素 的影響，所以模擬過程的非線性不易控制，抖動及非線性帶來的誤差可能 高達幾十ps。
作為一種改進，可以在模擬內插法中用A/D轉換過程代替放電過程， 將極大地減少轉換時間和非線性誤差，提高測量精度，國外文獻稱作TVC
(3)延遲時間內插法，即延遲時間內插技術，又稱時鐘移相法或量化 時延法，其主要原理如圖4和圖5所示，利用電子器件單元固有的延時作
7> ="為測量時使用的標尺來實現對飛行時間的測量。
早期採用的延時單元(同軸線)為延遲線，但是為了實現高精度測量， 需要數目眾多的抽頭，因而電路龐大，使得這項技術在當時無法推廣。隨 著集成電路技術的發展，集成電路的方便性和超大規模的特性完全體現了 出來，延時電路中的延遲線被集成電路中的邏輯單元所取代。
從圖4和圖5中可以看出，飛行時間被精確定位在5Ar和6Ar之間，時 間測量精度可以提高到
J (3)
式中n為內插延遲單元數，本例中選擇為8， Ar為延遲單元延遲時間， △r為被測時間間隔，5為時間測量精度(最小量化單位)。
延遲單元的設計實現有多種方法，無論是採用專用集成電路ASIC實 現，還是採用可編程器件中的最小邏輯單元，又或是專用半導體光刻線等， 目前半導體工藝的測量精度均只能達到ns數量級。雖然採用延遲時間內插 法能夠突破ns級限制，使分辨力達到ps級，但是延遲線長度的增加導致 了積分非線性的增加，並使得溫度變化、壓力波動、布線策略等引起的抖 動成為不可忽略的因素，要進一步提高時間解析度必須在延遲線拓樸結構 上採取相應措施。 一種改進方法是簡單地將原始延遲單元組成陣列結構， 通過參考時鐘對輸入脈沖釆樣，然後將採樣間歇再細分，該種結構能夠在 400MHz時鐘速率下達到2.5ns的解析度。另外一種改進方法是通過延遲鎖 相環來細分固定延遲單元，在80MHz時鐘下能夠達到80ps的最小量化分 辨率，但是這種結構增加了讀出編碼電路的複雜性。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是要提供一種在超聲流量計中測 量超聲回波飛行時間的方法以及設備，能夠使用簡單的結構設計而達到很 高的時間測量精度。
為了實現上述目的，本發明提供了一種測量超聲回波飛行時間的方法， 包括以下步驟由發射的超聲波產生一個Start脈衝，並由經過流體後接收
6的超聲回波產生 一個Stop脈沖；用直接計數法對Start脈衝和Stop脈衝之 間的邊沿間隔計算出粗計時結果；用兩層細分的延遲時間內插法計算出計 時量化誤差；結合粗計時結果和計時量化誤差計算出超聲回波飛行時間。
本發明的有益效果是，該方法採用時間分層內插的方法，第一層採用 直接計數法擴大了時間測量範圍，而在第二層採用延遲時間內插法，並將 被測飛行時間的計時量化誤差再進行兩層細分，從而可以達到非常高的時 間測量精度。
為了實現該方法，本發明還提供了 一套測量超聲回波飛行時間的設備， 該設備主要包括信號收發部分、數位訊號處理部分和人機互動部分，該數 字信號處理部分包括波形跟蹤模塊、測時模塊和中央控制器，其中，波形 跟蹤才莫塊由發射的超聲波產生一個Start脈沖，並由經過流體後接收的超聲 回波產生一個Stop脈衝，測時模塊包括用直接計數法對Start脈沖和Stop 脈沖之間的邊沿間隔計算出4且計時結果的粗測單元和用兩層細分的延遲時 間內插法計算出計時量化誤差的精測單元，中央控制器結合粗計時結果和 計時量化誤差計算出超聲回波飛行時間，在精測單元中還包括時間細分內 插矩陣。
由於該套設備在拓樸結構上採取全新的二維矩陣方式，縮短了延遲線 長度，從而提高了延遲線的線性。又因為在2-2ndLevel採用遊標延遲線結 構，可以突破ps級的解析度限制，因此為得到高精度的飛行時間測量結果 提供了物理條件。
圖1是超聲回波飛行時間的測量原理示意圖2是直接計數法的原理示意圖3是模擬內插法的硬體結構示意圖4是延遲時間內插法的硬體結構示意圖5是圖4所示延遲時間內插法的時序圖6是根據本發明優選實施例的超聲回波飛行時間測量設備的結構原 理圖；圖7是圖6所示的超聲回波飛行時間測量設備的工作原理示意圖； 圖8是圖6所示的超聲回波飛行時間測量設備的時間細分內插矩陣的 拓樸結構圖9是圖6所示的超聲回波飛行時間測量設備的延遲單元的工作原理 示意圖；以及
圖10是根據本發明優選實施例的細分飛行時間的原理示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。 圖6示出了根據本發明一個優選實施例的超聲回波飛行時間測量設備 的結構，該測量設備主要由三部分組成，第一部分是信號收發部分601, 負責超聲信號的發射、接收、通道切換、時序控制、接收信號預處理等功 能；第二部分是數位訊號處理部分602,負責對信號進行數模轉換，而後 進行數字濾波、去噪、增強、邊沿跟蹤等處理，並完成超聲飛行時間測量 功能；第三部分是人機互動部分603，負責進行顯示、鍵盤等人機接口的 控制以及其它服務功能，如通信等輔助模塊。
超聲波信號在流體中順流的傳播時間^和逆流的傳播時間/2分別為
丄 "
f i =-=-
c。+vcos(9 sini9(c。 + vcosi9) ("
_ 丄 — D c。 _vcos6* sin6^(c。 -vcosS) ( 5 )
其中，v為流體的流速，c。為超聲波的傳播速度，^為換能器的安裝角， 丄為兩個換能器之間的距離，Z)為管道直徑。
由此可以計算出時間差
, 2Dvcos^ = ,， _ = ■
sin6^(c。 _v cos 6) ("
一般情況下，聲波在流體中傳播速度c。在1000m/s以上，而多數工業系 統中流體流速遠小於聲速，即一《c。2，所以時間差可以近似筒化為
sin 6. c。 ( 7 )
8則
c， sin ^ A
式(8)中含有聲速c。，由於溫度的變化會引起聲速的變化，例如對於
流體水而言，20。C時超聲波在水中傳播速度為1482m/s,而50。C時傳播速
度為1543m/s，所以聲速變化可能極大地影響測量的準確度。因此，對(4)
(5)兩式另做變換可以得到
11 — 2vcos6
," Z (9)
由此可以推導出在超聲脈衝傳播路徑上的流體線平均流速v為
丄2 Af
v =
2叫 (10) 其中，jc = Icos^。
由於流體的流動一般分為兩種狀態 一種是層流狀態，即管內的流體 的流動主要是軸向的運動；另一種是紊流狀態，即管內的流體的流動不僅 有軸向的運動，還有劇烈的才黃向流動。這兩種不同流動狀態對應管內的速 度分布也不同，為此加上一個流速分布補償係數1/^，,人而得修正後的流
量方程為
&4 (11) 式中，"為體積流量，v為管道流體流速，f為累計測量時間，D為管 道直徑。
本發明提出的超聲回波飛行時間測量方法基本思路是將直接計數法和
延遲時間內插法相結合，並分層次測量超聲回波飛行時間r。
如圖2所示的直接計數法，被測的飛行時間r為
r = "7; + A^-Ar2 (12)
式中m為計數結果，Tp為計數器周期，A7V Ar2為量化誤差。 根據圖7所示的超聲回波飛行時間的測量原理，發射的超聲波和經過 流體後接收的超聲回波經波形跟蹤模塊跟蹤後分別產生標準的一個Start脈 沖和一個stop脈衝，然後將Start脈衝和Stop脈衝輸入測時模塊後啟動第一層次測時-用粗測單元的高時鐘頻率計數器對Start脈衝和Stop脈沖之
間的邊沿間隔進^亍4且計時，得到"rP，而對於計時量化誤差Ari、 ^72在第 二層次利用精測單元測量，最後將測量結果經過標定校正電路進行數字校 正後輸出到中央控制器計算被測時間間隔，從而可以提高測時精度。 精測模塊採用矩陣拓樸結構降低延遲線的非線性，從而提高解析度。
矩陣拓樸結構如圖8所示，時間細分內插矩陣基本單元是由緩衝器和鎖存
器組成的遊標延遲單元，這個延遲矩陣共用一個時鐘信號。採用帶復位的 行列矩陣結構，有效解決了延遲線長度、解析度以及由此帶來的溫度變化、
壓力波動和非線性誤差問題。圖9 (a)示出了超聲回波飛行時間測量延遲 單元與時序圖，將輸入寬波形轉換成固定窄脈沖，如圖9(b)所示的遊標 延遲單元包括一個緩沖延遲器和一個鎖存器延遲單元，而圖9 (c)為測量 時間間隔量化誤差兩層細分時序圖。
時間細分內插矩陣對輸入脈衝提供了垂直和水平兩條傳輸路徑，垂直 傳輸路徑延遲為^=、，水平傳輸路徑延遲時間為r,，,-r,-、，其中的r,和^
分別是延遲矩陣中D鎖存器和緩沖器單元的延遲時間(假設水平和垂直方 向通過D鎖存器的傳輸時間相同)。通過延遲矩陣的拓樸結構可以將時間間 隔細分成如圖9(c)所示的雙層最小分辨位寬。 該時間細分內插矩陣的大致工作步驟如下 (1)初始時所有鎖存器輸出均為邏輯低電平0; (2 )輸入脈衝由延遲矩陣所有鎖存器延遲單元傳輸； (3)鎖存器時鐘端時鐘信號上升沿來到時，輸入脈沖將無法通過該鎖
存器；
(4 )時間間隔可通過輸入脈衝通過的延遲單元的行數"和列數m計算出來。
當輸入脈衝與時鐘信號時間間隔大於r 時，信號將沿垂直方向 一行一 行地向下傳遞，每經過一行，其時間間隔將減去r/，當剩下的時間間隔小 於^時，信號將沿水平方向的延遲單元傳輸，每經過一個延遲單元就可以 分辨出r",,直至時間間隔小於、。
結合粗測單元的計數器輸出， 一旦時間細分內插矩陣得到如圖10所示7;,即計時量化誤差7;,就可以計算
出超聲回波飛行時間r:
r = (^+i)7;— ; = (^+1)7;—("T"+mr",) (13 )
其中，《+i為粗測計數器輸出，r。為計數器脈沖寬度，7;由輸入脈衝在
時間細分內插矩陣中傳輸的行數w和列數w決定。
時間細分內插矩陣的行列數與時間觀察窗口 r。BS有確定關係，r。flS定義
為矩陣延遲單元允許輸入脈衝通過的活動時間，即最大輸入脈沖與參考時 鐘的脈沖寬度的一半相等，即7^,=7;=7;/2,所以矩陣最大行數aa必須滿
足下式
臉Z^
r" ( 14 )
當經過行傳輸剩下的時間間隔小於^時，輸入脈衝沿水平方向順序通 過遊標延遲單元r ,直到其被參考時鐘邊沿捕獲，因此時間內插矩陣最大列
數M必須滿足下式
r"'巧'—幾 (15) 在理想情況下，當超聲回波飛行時間間隔大於鎖存器延遲時間時，輸 入脈衝將沿垂直方向向下傳輸，否則將沿著水平方向向右經遊標延遲單元 傳輸，當輸入脈沖傳入下一行時，認為不會對延遲單元產生失配，這一點 對那些離參考時鐘邊沿時間較長的輸入脈衝尤為重要。這種情況下相同的 輸入脈衝有可能在時間細分內插矩陣的多條遊標延遲線中存在，從而導致 讀數錯誤或者重複檢測同一個脈衝。為克服該問題，本發明在矩陣的每行 插入一個如圖9 (a)所示的行間復位脈衝發生器，在每次檢測到新的輸入 脈衝時均產生一個標準2.5ns的脈衝信號以復位所有行的延遲單元，從而可 以確保不會有兩個連續行保存的是同 一個輸入脈衝的數據，因此可以起到 保證測量穩定性和結果有效性的作用。
根據本發明的矩陣式多層超聲回波飛行時間測量方法的輸出結果為標 準溫度計編碼，讀出計數器無需複雜的解碼，為後續編程提供了方便。
該超聲回波飛行時間測量設備釆用分層內插的測量方法，第 一層採用 直接計數法擴大了時間測量範圍，而在第二層採用延遲時間內插法，並在其拓樸結構上採取全新的二維矩陣方式，將被測飛行時間的計時量化誤差 再進行兩層細分，縮短了延遲線長度，從而提高了延遲線的線性。更進一
步地，在2-2nd Level採用遊標延遲線結構，突石皮了 ps級解析度限制。在 仿真實驗中，採用賽林思Virtex 5 FPGA硬體資源來實現該方法所必需的 時間細分內插矩陣，其延遲線由Virtex內置的固定延遲單元組成，由於延 遲矩陣拓樸結構合理，有效避免了布局布線以及溫度變化和電壓波動帶來 的時間抖動。多次仿真實驗結果表明，在200MHz參考時鐘下，該方法最 小分辨位寬可以小於20ps。
以上所披露的僅為本發明的優選實施例，當然不能以此來限定本發明 的權利保護範圍。可以理解，依據本發明所附權利要求中限定的實質和範 圍所作的等同變化，仍屬於本發明所涵蓋的範圍。
1權利要求
1.一種測量超聲回波飛行時間的方法，其特徵在於，包括以下步驟由發射的超聲波產生一個Start脈衝，並由經過流體後接收的超聲回波產生一個Stop脈衝；用直接計數法對所述Start脈衝和所述Stop脈衝之間的邊沿間隔計算出粗計時結果；用兩層細分的延遲時間內插法計算出計時量化誤差；結合所述粗計時結果和所述計時量化誤差計算出所述超聲回波飛行時間。
2. 根據權利要求1所述的測量超聲回波飛行時間的方法，其特徵在於， 所述兩層細分的延遲時間內插法包括以下步驟對於所述粗計時結果與所述超聲回波飛行時間之間的時間間隔，以第 一延遲時間為標尺計算其延遲所需要的第 一延遲單元數和剩餘時間間隔；以第二延遲時間為標尺計算所述剩餘時間間隔延遲所需要的第二延遲 單元數；結合所述第一延遲時間、所述第一延遲單元數、所述第二延遲時間和 所述第二延遲單元數計算出所述計時量化誤差，其中，所述第一延遲時間大於所述第二延遲時間。
3. 根據權利要求2所述的測量超聲回波飛行時間的方法，其特徵在於， 所述兩層細分的延遲時間內插法包括採用由排列成垂直和水平兩條傳輸路 徑的遊標延遲單元構成的時間細分內插矩陣來設定延遲時間，其中每一個 所述遊標延遲單元的垂直方向的延遲時間為所述第 一延遲時間，每一個所 述遊標延遲單元的水平方向的延遲時間為所述第二延遲時間。
4. 根據權利要求1所述的測量超聲回波飛行時間的方法，其特徵在於， 所述產生一個Start脈衝和所述產生一個Stop脈衝是採用波形跟蹤的方法。
5. —種測量超聲回波飛行時間的設備，包括信號收發部分、數位訊號 處理部分和人機互動部分，其特徵在於，所述數位訊號處理部分包括波形 跟蹤模塊、測時模塊和中央控制器，其中，所述波形跟蹤模塊由發射的超聲波產生一個Start脈沖，並由經過流體 後接收的超聲回波產生一個Stop脈沖， 所述測時模塊包括粗測單元，其用直接計數法對所述Start脈衝和所述Stop脈衝之間的邊 沿間隔計算出粗計時結果；精測單元，其用兩層細分的延遲時間內插法計算出計時量化誤差，所 述精測單元還包括時間細分內插矩陣，所述中央控制器結合所述粗計時結果和所述計時量化誤差計算出所述 超聲回波飛行時間。
6. 根據權利要求5所述的測量超聲回波飛行時間的設備，其特徵在於， 所述時間細分內插矩陣包括排列成垂直和水平兩條傳輸路徑的遊標延遲單 元，每一個所述遊標延遲單元的垂直方向的延遲時間為所述第 一延遲時間， 每一個所述遊標延遲單元的水平方向的延遲時間為所述第二延遲時間。
7. 根據權利要求6所述的測量超聲回波飛行時間的設備，其特徵在於， 所述遊標延遲單元包括緩衝器和鎖存器。
8. 根據權利要求5所述的測量超聲回波飛行時間的設備，其特徵在於， 所述時間細分內插矩陣的每行設置有一個行間復位脈衝發生器。
9. 根據權利要求5所述的測量超聲回波飛行時間的設備，其特徵在於， 所述時間細分內插矩陣共用 一個時鐘信號源。
10. 根據權利要求5所述的測量超聲回波飛行時間的設備，其特徵在 於，所述粗測單元包括高時鐘頻率計數器。
全文摘要
本發明公開了一種測量超聲回波飛行時間的方法，該方法採用時間分層內插的方法，第一層採用直接計數法擴大了時間測量範圍，而在第二層採用延遲時間內插法，並在拓撲結構上採取全新的二維矩陣方式，將被測飛行時間的計時量化誤差再進行兩層細分，縮短了延遲線長度，從而提高了延遲線的線性，由於在2-2nd Level採用遊標延遲線結構，因此突破了ps級解析度限制。為了實現該方法，本發明還提供了一套測量設備，該設備由信號收發部分、數位訊號處理部分和人機互動部分等組成，能夠提供高精度的飛行時間測量結果。
文檔編號G01F1/66GK101655384SQ20091009256
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月11日 優先權日2009年9月11日
發明者濤 劉, 崔園園, 金 張, 王伯雄, 羅秀芝 申請人:清華大學