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 互易性收發電路，以消除零點漂移現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 性測量系統顯著改善了流量計的零點漂移問題，并具有良好的測量穩定性。

0.引言

零點漂移現象不僅影響超聲波流量計（USMs) 1測量 結果的穩定性,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電路,使超聲波測量系統工作在互易 模式下是解決零點漂移問題的有效途徑。根據電聲互易理 論,若系統工作在互易模式下，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，換能器的參數的改變會造成零點漂移現象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 波流量計收發電路，實現了互易性氣體超聲波流量計測量 系統,進行了靜態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，實現阻抗匹配。

1.1發射電路

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 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)可以發現，只要設置合適的值使R,s + Rm與 Rl的值相等，即可實現阻抗匹配。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理論上的阻抗匹配。

2.電路實現和實驗結果

2. 1實驗測量系統

超聲波流量計測量系統如圖3所示。測量系統使用 MSP430249作為處理器。接收到的超聲波信號經過放大, 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。測量系統還包括按鍵,液晶顯示, 存儲器等外圍模塊。

流量計管節的內徑為100mm,2只超聲波換能器呈45° 安裝于管節的兩側。系統通過RS-485通信實時測得的流 量傳輸到PC端。在實際靜態實驗中使用了互易（系統1) 和非互易（系統2) 2套測量系統來驗證互易電路設計的有 效性。在系統1中，發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2使用的發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。其他模塊兩系統完全一 致。測量系統使用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1和系統2在室 溫(20T：)下的靜態測量流速值。實驗共使用了 4個AT120 系列的超聲換能器，故共產生6種不同的配對情況。分別 記錄兩系統在使用6對不同換能器時的靜態測量值。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1 的零點測量值較系統2的測量值小得多。系統1在不同配 對情況下測得的零點流速均小于0. 002 m/s。根據超聲流 量計檢定規程JJG 1030-2007的規定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1和系統2使用同一對換能器在 靜態下的測量流速值。在該實驗中，系統1和系統2使用 同樣的管節和同一對已經配對的換能器，測量管節被放置 在恒溫箱中，通過改變溫箱的設定溫度來改變管節所處的 溫度。待溫度穩定后,分別記錄兩系統的靜態測量值，記錄 方法與前述實驗相同。

由圖5可得：在不同溫度下，系統1測量值的變化范 圍為-0.0026 ~0.0001m/s,系統2測量值的變化范圍為 -0.0026 ~0.0033m/s。系統1測量值的變化范圍較系 統2小了 1倍，說明系統1對于溫度漂移問題具有抑制 性。在實驗的溫度范圍內，系統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電路，實現了測量系統的 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程JJG 1030-2007的要求。實驗結 果驗證了電路設計的有效性,體現出互易性超聲流量計測 量系統對于零點誤差和零點漂移問題的抑制性。