基于离散时差检测的流量计不同步计数误差补偿技术

摘 要：为缩小计数误差、提高流量标准装置计量精度，基于离散时差检测提出一种无需信号预处理的流量计不同步计数误差补偿技术。首先，根据多工位流量计脉冲计数原理，提出基于时差检测的计数误差补偿机理；其次，根据流量计脉冲离散信号特性，推导得多工位脉冲计数误差补偿的离散形式；最后，在具有4台流量计的多工位流量计标准装置中实现工程应用，并进行模拟试验与工程应用试验。结果表明：在脉冲信号周期稳定的模拟试验中，经补偿后脉冲计数误差小于0.007 7个，在工程应用中，经补偿后脉冲计数误差小于0.043 2个。

关键词：流量计；脉冲计数补偿；多路不同步信号；离散时差

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）01-0023-04

收稿日期：2016-08-15；收到修改稿日期：2016-09-28

基金项目：广东省省级科技计划项目（2016A040403044）

作者简介：江境宏（1992-），男，广东揭阳市人，硕士研究生，专业方向为智能传感技术与网络化测控。

引 言

脉冲计数是测试计量领域中广泛使用的一种技术手段，以脉冲信号形式输出的仪器仪表遍布工业生产、实时监测、自动化控制等领域，对脉冲信号进行补偿，提高仪器仪表精度等级一直以来备受国内外学者关注。脉冲信号计数精度提升方法主要有相位测量补偿法、多周期同步法、时间-数字转换器（time to digital convert，TDC）方法。相位测量补偿法将脉冲信号进行预处理转换为谐波，计算量较大[1]；广州能源检测研究院通过提取基波相位的方法，对3路不同步脉冲信号进行精度补偿，计数误差小于0.06[2]；文献[3]提出级联自适应陷波器，实现离線估计周期脉冲信号相位，对2路不同步脉冲信号进行补偿，其脉冲计数误差优于±0.045个；Liu等[4]基于时间-频率测量算法变换实现同步相位测量法，准确获取不同步采样情况下电压、电流的基波相量；多周期同步法通过同步被测信号和闸门信号消除被测信号计数时存在的±1计数误差，但时基信号仍存在±1计数误差，难以进行多路测量[5]；张朋[6]提出基于时间戳计数与多周期同步的频率瞬变测量算法，减小由时基信号±1计数误差引入的测量误差，提高计数精度。TDC通过设计电路测量时间残基，提高时间测量精度，进而提高脉冲信号计数精度[7-8]，目前TDC时间测量精度已达皮秒级[9-12]。为实现多路不同步脉冲信号高精度计数、减小计算量，提出一种基于离散时差检测的流量计不同步计数误差补偿技术。

1 多工位流量计脉冲计数误差补偿技术

1.1 多工位流量计脉冲计数误差补偿机理

图1为多路不同步脉冲与闸门信号波形图，以闸门信号的上升沿为i路脉冲计数起止时刻，由于每路信号上升沿时刻与闸门起止脉冲上升沿时刻不重合，采用上升沿计数法得到测量值存在±1以内计数误差。

多路不同步脉冲计数补偿可通过测量起止时刻与相邻脉冲上升沿时间差，计算补偿计数值，减小计数误差。

图2为第i路脉冲计数补偿示意图。设第i路信号在闸门起止时间段内检测到脉冲个数值为Nip、补偿计数值为Nic，则在该时间段内精确计数值Ni为

Ni=Nip+Nic

设闸门信号起止时刻分别为ts、te，其各自相邻第i路脉冲上升沿出现时刻为ti0、ti1和ti2、ti3。则按上升沿计数，ts～ti1和te～ti3时间段内需补偿脉冲个数nis、nie，有：

则第i路脉冲信号最终补偿计数值Ni为

若能获取闸门信号起止时刻ts、te及其各自相邻第i路脉冲上升沿时刻ti0、ti1和ti2、ti3，由式（1）即可得到第i路信号补偿后脉冲计数值Ni。

1.2 多工位流量计脉冲计数误差补偿实现

目前计算机及嵌入式系统，较适合处理离散信号[13]，通常将模拟量经由多路模数转换器转换为数字信号，再进行计算[14]。图3为图1的多路不同步脉冲与闸门信号波形的离散形式。

对采集到的离散数据进行处理，设置上升沿穿越电平阈值为AT，则上升沿判定条件为

设g0（n）起止上升沿数据点分别为ns、ne，有：

记闸门起止信号相邻第i路脉冲上升沿数据点分别为ni0、ni1和ni2、ni3，易知：

令数据采集卡各通道采样周期为Tc，由数据采集卡采样原理可知第i路计数补偿值Nic为

则第i路脉冲计数值为Nip为

Nip=∑Zi（n）， ns

于是第i路脉冲信号最终补偿计数值Ni为

则式（6）为多工位流量计脉冲计数误差补偿的离散形式，只需要获取如图3多路信号，即可实现计数补偿。根据离散数据判定的上升沿时刻与原始信号上升沿时刻存在偏差，当采样频率远大于原始信号频率时，偏差远小于流量计输出脉冲信号周期，可忽略不计。

2 试 验

2.1 模拟试验

使用信号发生器生成脉冲信号，经100分频后，进行计数与补偿；则原始信号的1/100为脉冲计数实际值。图4为脉冲计数补偿技术效果验证原理图。

信号发生器使用Tektronix AFG2021-SC，以RC电路输出5 V闸门信号，数据采集卡选用阿尔泰PCI8602（最高采样频率250 kHz）。图5为脉冲计数补偿算法流程图。

在实验时长约100 s、3路信号上升沿穿越电平阈值AT 3 V、数据采集卡单通道采样频率10 000 Hz的条件下，以信号发生器生成幅值4 V、占空比为10%、频率分别为20，60，100，200 Hz的脉冲信号。表1为多次脉冲计数补偿模拟试验结果，可知没有补偿得到结果计数误差较大（±1以内），补偿后计数误差小于0.007 7个，补偿效果显著。

2.2 工程应用试验

研制的水流量标准装置共设置4台流量计（标准流量计、被检流量计各2台），配置阿尔泰PCI8602型数据采集卡，接入4路流量计输出脉冲信号及换向装置的1路闸门信号，实现4路脉冲信号的计数补偿。

将标准流量计分别在6.0，3.0 m3/h的不同流量下各进行多次检定试验，根据图4，采集标准流量计输出脉冲信号、换向装置输出闸门信号，进行计数补偿验证效果。令AT=3 V、数据采集卡各通道采样频率fc=40 kHz，表2为脉冲计数补偿工程应用试验结果，可以看出，经补偿后计数误差显著降低，在±0.043 2个以内，补偿效果理想。

3 结束语

1）本文提出一种基于离散时差检测的流量计不同步计数误差补偿技术，信号无需进行预处理，即可实现多路不同步脉冲信号补偿。

2）在具有4台流量计的多工位流量计标准装置上，嵌入基于离散时差检测的流量计不同步计数误差补偿算法实现工程应用，并进行模拟试验与工程应用试验。在周期稳定的脉冲信号中算法补偿后计数误差小于0.007 7个，在脉冲周期振荡的工程应用中，算法补偿后计数误差小于0.043 2个。

参考文献

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（编辑：刘杨）

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