摘要:針對(duì)氣體超聲流量計(jì)在測量中存在回波信號(hào)衰減大、波形易受工況影響的問題,提出了一種基于精度高時(shí)差的氣體超聲流量測量方法。該方法首先通過相似度評(píng)估回波信號(hào),對(duì)回波信號(hào)特征點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,進(jìn)而獲取飛行時(shí)間差的粗測量值,其次選取特定回波波形進(jìn)行互相關(guān)法計(jì)算獲得時(shí)差的細(xì)測量值,最后對(duì)兩次測量結(jié)果相加得到精度高時(shí)差,從而實(shí)現(xiàn)精度高的流量測量。不同壓力下的聲速測量實(shí)驗(yàn)表明該方法在100kPa至500kPa范圍內(nèi)可準(zhǔn)確測量飛行時(shí)間和時(shí)差。氣體流量計(jì)樣機(jī)的流量測量誤差小于1%,重復(fù)性優(yōu)于0.2%,并在大流量下與傳統(tǒng)閾值法相比具有更高的正確率和更優(yōu)的重復(fù)性。
氣體超聲流量計(jì)以結(jié)構(gòu)簡單、壓損低、精度高、量程寬及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為天然氣貿(mào)易中的重要流量儀表。目前氣體超聲流量計(jì)測量方法多采用時(shí)差法，該方法通過超聲波在管道內(nèi)順、逆流傳播的飛行時(shí)間及聲速來計(jì)算流量。飛行時(shí)間測量常采用曲線擬合法、互相關(guān)法和閾值法,其中曲線擬合法計(jì)算過程比較復(fù)雜,而閾值法與互相關(guān)法的理論成熟,被廣泛應(yīng)用于氣體超聲流量測量中。閾值法通過定位回波信號(hào)的特征點(diǎn)來測量飛行時(shí)間,然而測量工況的變化會(huì)使特征點(diǎn)定位錯(cuò)誤,導(dǎo)致測量結(jié)果誤差偏大。對(duì)此基于回波信號(hào)峰值的比例閾值法,該方法通過回波峰值調(diào)整閾值來定位特征點(diǎn)以求得時(shí)差�；诜侄瘟魉俚目勺冮撝捣�,通過在不同流速下設(shè)置不同閾值對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行定位，進(jìn)而求得時(shí)差。基于回波極值點(diǎn)的幅值對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)的自適應(yīng)閾值法,該方法使用當(dāng)前工況下的回波極值點(diǎn)對(duì)閾值進(jìn)行修正,進(jìn)而準(zhǔn)確定位特征點(diǎn)位置并得到時(shí)差。上述方法均根據(jù)不同的工況對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)整,以提高時(shí)差測量精度,但面對(duì)復(fù)雜的測量環(huán)境仍存在局限性�；ハ嚓P(guān)法通過將順、逆流回波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算以得到時(shí)差值,可以解決由于波形變化引起的特征點(diǎn)定位錯(cuò)誤問題。通過選取各換能器靜態(tài)下的回波信號(hào)均值作為互相關(guān)計(jì)算的參考信號(hào)以提高測量結(jié)果的抗干擾能力。提出了使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參考波形.進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算的方法,有效解決了由環(huán)境因素導(dǎo)致相關(guān)性降低的問題,然而以上方法均存在計(jì)算量較大的問題。
針對(duì)閾值法與互相關(guān)法存在的問題,本文提出了基于相似度和互相關(guān)法的精度高時(shí)差測量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該方法通過回波相似度評(píng)估,實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的正確定位，并結(jié)合傳輸時(shí)差法與互相關(guān)法分別對(duì)時(shí)差進(jìn)行粗、細(xì)兩次測量,以提高其測量精度。
測量原理
1.1時(shí)差法基本原理
時(shí)差法超聲流量計(jì)的測量原理如圖1所示。超聲換能器A,B分別安裝在流量計(jì)管道的上下游位置,超聲波從A傳播到B為順流時(shí)間,超聲波從B傳播到A為逆流時(shí)間，流體流量與順、逆流時(shí)間差，的關(guān)系如式(1)所示:
式中:Q是管道中氣體瞬時(shí)流量，D為管道直徑,△t是時(shí)差,C為聲速,α是信號(hào)傳播路徑與管道軸線的夾角。由式(1)可知,時(shí)差測量精度將直接影響氣體超聲流量計(jì)流量計(jì)算的精度。
1.2時(shí)差測量方案
時(shí)差測量方法的原理如圖2所示。首先通過對(duì)采集的回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行相似度計(jì)算,獲得回波特征點(diǎn)。其次通過特征點(diǎn)結(jié)合采樣頻率得到“粗”時(shí)差值;同時(shí)以特征點(diǎn)作為起始點(diǎn)來選取特定的波形數(shù)據(jù),并將選取波形進(jìn)行上采樣處理，通過互相關(guān)運(yùn)算得到“細(xì)”時(shí)差值,最終獲得精度高時(shí)差測量結(jié)果。
2基于相似度的特征點(diǎn)定位
由于噪聲干擾和測量環(huán)境會(huì)使回波信號(hào)的幅值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致回波信號(hào)起始點(diǎn)定位錯(cuò)誤。因此需在回波信號(hào)上找到一個(gè)穩(wěn)定的特征點(diǎn)，如圖3所示。該特征點(diǎn)與回波起始點(diǎn)之間時(shí)間恒定,通過特征點(diǎn)結(jié)合采樣頻率計(jì)算得到順、逆流的兩個(gè)特征飛行時(shí)間Tcharacter,將兩者相減可抵消固定時(shí)延,從而得到傳播時(shí)間差值。
目前廣泛使用的特征點(diǎn)定位方法是雙閾值法,其原理如圖4所示。第一閾值線電壓值約為0.35V,0V幅值線作為第二閾值用于定位到過零采樣點(diǎn),即回波特征點(diǎn)。在不同流量或工況下,回波信號(hào)的幅值特性會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)若采用固定閾值來確定回波信號(hào)特征點(diǎn)，會(huì)造成飛行時(shí)間測量存在數(shù)個(gè)周期的誤差。如圖4所示，當(dāng)環(huán)境壓力從500kPa變化為101kPa時(shí),原本通過第一閾值定位的第三個(gè)波形會(huì)錯(cuò)誤地定位在第四個(gè)波形，上引起.測量誤差。改進(jìn)的閾值法結(jié)合不同的工況來對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)整,然而在復(fù)雜的測量環(huán)境下，這些方法依然存在一定局限性。
針對(duì)以上問題，本文采用基于相似度的回波特征點(diǎn)定位方法來獲取特征點(diǎn)。首先通過0V幅值線獲得回波信號(hào)的多個(gè)過零采樣點(diǎn)，以作為“備選”特征點(diǎn)，即圖5方框內(nèi)采樣點(diǎn)。隨后將采集得到的回波信號(hào)峰值電壓與標(biāo)準(zhǔn)工況下的峰值電壓進(jìn)行相似度計(jì)算,從而正確定位到回波特征點(diǎn)。
回波信號(hào)相似度評(píng)估選擇標(biāo)準(zhǔn)工況下的參考回波信號(hào)I和實(shí)測回波信號(hào)J作為相似估計(jì)對(duì)象。參考信號(hào)第2,3,4峰值電壓值與實(shí)測信號(hào)各個(gè)峰值電壓值xi,xj為特征參數(shù),參數(shù)數(shù)量n取3。通過計(jì)算,選取與參考回波信號(hào)歐氏距離最小的一組實(shí)測回波信號(hào)峰值,即實(shí)際回波信號(hào)的第2,3,4波峰值,將特征點(diǎn)準(zhǔn)確定位到實(shí)際回波信號(hào)第2波后的過零點(diǎn),即圖5中點(diǎn)P2。
3精度高時(shí)差的測量
3.1粗時(shí)差測量
激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲換能器發(fā)射聲波后,采樣電路開始進(jìn)行回波信號(hào)采集。超聲波順、逆流傳播的飛行時(shí)間tui和tdi通過其對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)n與采樣間隔T的乘積表示,求得粗時(shí)差值,計(jì)算如式(3)所示:
式中:n1和n2分別為順、逆流下回波信號(hào)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。
3.2細(xì)時(shí)差測量
3.2.1波形選取與上采樣處理
針對(duì)互相關(guān)計(jì)算過程中運(yùn)算量較大的問題,選擇回波信號(hào)特征點(diǎn)后三個(gè)周期的采樣點(diǎn)作為待處理數(shù)據(jù)以降低運(yùn)算量。具體信號(hào)如圖6虛線方框內(nèi)點(diǎn)所示。
對(duì)選取信號(hào)進(jìn)行上采樣處理來提高采樣率。上采樣處理包括數(shù)據(jù)的插值和低通濾波兩個(gè)步驟。首先將采集到的數(shù)據(jù)量為N的原始信號(hào)x[n]中每兩個(gè)采樣點(diǎn)之間插人L-1個(gè)零值得到信號(hào)xu[n],如式(4)所示:
為了更好地觀察信號(hào)處理前后的頻率特性,通過式(5)、式(6)將信號(hào)x[n]、xu[n]轉(zhuǎn)移到頻域,如式(7)所示,并得到幅度譜圖,如圖7(a)、圖7(b)所示。
對(duì)于因子為L的插零擴(kuò)展,相較于圖7(a),插值后的信號(hào)在基帶_上有L-1個(gè)額外的原信號(hào)譜鏡像產(chǎn)生。隨后通過低通濾波濾除這L-1個(gè)鏡像,等同于將內(nèi)插樣本值“填入”到xu[n]中的零樣本，上，實(shí)現(xiàn)原采集信號(hào)x[n]的上采樣處理。
設(shè)計(jì)的低通濾波器的頻域表達(dá)為式(8):
當(dāng)C=L時(shí)滿足零初始條件,濾波器的頻域表達(dá)如式(10)所示:
采樣信號(hào)x[n]與經(jīng)過L=20進(jìn)行上采樣處理后信號(hào)xu[n]的數(shù)據(jù)與幅度譜圖如圖8(a)和圖8(b)所示,結(jié)果表明上采樣處理后的信號(hào)采樣率增大了20倍,同時(shí)處理后的數(shù)據(jù)曲線光滑,證明上采樣處理符合預(yù)期效果。
3.2.2互相關(guān)計(jì)算
將順、逆流回波信號(hào)的原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行上采樣處理得到xu(n)、yu(n)后,通過離散互相關(guān)運(yùn)算式(11)得到互相關(guān)函數(shù)Rxy(m):
式中:m=(-N+1,N-1),N為回波數(shù)據(jù)的信號(hào)長度。如圖9所示，互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)的峰值B所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值即為兩信號(hào)時(shí)差。為了進(jìn)一步提高時(shí)差精度,選取互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)中峰值處的三個(gè)最高點(diǎn)A、B、C進(jìn)行曲線擬合以得到更精確的峰值D(max，ymax)。
通過式(12)得到xmax對(duì)應(yīng)的細(xì)時(shí)差值△tcorr，其中T為采樣間隔。
4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1硬件設(shè)計(jì)
采用MSP430F6638芯片作為核心控制單元,負(fù)責(zé)整個(gè)測量過程中時(shí)序和所屬電路的控制。FPGA模塊用以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)脈沖以及對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取與存儲(chǔ),如圖10所示。包括兩路激勵(lì)電路、切換接收電路、回波信號(hào)處理電路(濾波放大電路、回波到達(dá)電路、峰值檢測電路)和信號(hào)采樣電路等。激勵(lì)電路將觸發(fā)脈沖進(jìn)行推挽放大后輸人到超聲波換能器并使其發(fā)射超聲波。回波信號(hào)接收后經(jīng)過回波到達(dá)探測電路產(chǎn)生一個(gè)回波到達(dá)信號(hào)再輸入到單片機(jī)。MSP430單片機(jī)通過內(nèi)部AD對(duì)經(jīng)過峰值檢測電路的回波信號(hào)進(jìn)行采集,獲得回波的最大峰值。放大后的回波信號(hào)由FPGA配合高速AD以及RAM進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),采集到的數(shù)據(jù)通過485通信電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
電路采用的超聲換能器中心頻率為200kHz,驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為20V。采樣電路中高速采集芯片選用AD9237-40,采樣頻率設(shè)定為5MHz。
4.2軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包含MSP430程序和MATLAB程序兩個(gè)部分，如圖11所示。
MSP430程序流程如下所述。系統(tǒng)初上電后,MSP430F6638將對(duì)I0口、定時(shí)器及FPGA模塊等各.個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化并進(jìn)人低功耗模式。定時(shí)器達(dá)到0.5s時(shí),微處理器控制FPGA芯片產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)輸人到指定的發(fā)射換能器中。當(dāng)單片機(jī)接收到回波到達(dá)信號(hào)后，,微控制器使能FPGA對(duì)處理后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)在FPGA的RAM中,同時(shí)開啟單片機(jī)內(nèi)部AD對(duì)回波最大峰值電壓進(jìn)行采集。隨后，通過上位機(jī)通訊將采集到的回波數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ATLAB程序。MATLAB程序首先根據(jù)回波相似度計(jì)算定位到回波信號(hào)的特征點(diǎn)，其次以特征點(diǎn)為基礎(chǔ)結(jié)合采樣頻率和互相關(guān)法得到精度高的飛行時(shí)間差以及實(shí)時(shí)聲速值，利用時(shí)差法計(jì)算式(1)得到瞬時(shí)流量值。
5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為評(píng)估方法法的有效性，采用壓力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間差測量的穩(wěn)定性,進(jìn)而通過流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整體算法的精度。
5.1壓力實(shí)驗(yàn)研究
裝置如圖12所示,包括氮?dú)怃撈亢兔芊夤苈费b置等。選擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及500kPa五個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的壓力。
采用本文的信號(hào)處理方法和基于TDC-GP22測量模塊的傳統(tǒng)雙閾值法時(shí)差測量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進(jìn)行對(duì)比。由于在測量過程中時(shí)差值難以直觀表示,而聲速測量與時(shí)差測量均以飛行時(shí)間為基礎(chǔ),因此在各個(gè)壓力下比較兩種方法測量得到的聲速值與理論聲速值來間接驗(yàn)證測量的穩(wěn)定性，結(jié)果如表1所示。
由表1可知,使用基于回波相似度進(jìn)行特征點(diǎn)定位的方法測得的5個(gè)壓力試驗(yàn)點(diǎn)下聲速值均與理論聲速吻合,最大誤差僅為-0.13m/s。而傳統(tǒng)雙閾值法計(jì)算得到的聲速在101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下與理論聲速吻合，但在405.2kPa壓力下與理論聲速產(chǎn)生明顯偏差,與此同時(shí)壓力越大,偏差數(shù)值越大。而在509.5kPa下,聲速測量值與理論聲速差值高達(dá)7.89m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于回波相似度的特征點(diǎn)定位信號(hào)處理方法能在不同壓力下實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間差測量的正確率。
5.2流量實(shí)驗(yàn)研究
選用圖13所示精度等級(jí)為0.25級(jí)的LQB-1000臨界流文丘里音速噴嘴校準(zhǔn)裝置,采用管徑為50mm的氣體超聲流量測量系統(tǒng)樣機(jī)，流量范圍為2m'/h~160m'/h。根據(jù)超聲流量計(jì)檢定規(guī)程《JJG1030-2007超聲流量計(jì)》,選擇分界流量點(diǎn)為16m2/h。各個(gè)流量檢定點(diǎn)為Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每個(gè)流量點(diǎn)測量90s。將測量得到的流量值和標(biāo)準(zhǔn)裝置的平均流量值進(jìn)行比較,計(jì)算誤差并進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)來得到重復(fù)性�；赥DM-SC與TDM-DT兩種方法的測量結(jié)果如表2所示。
表2數(shù)據(jù)表明，基于TDM-SC的氣體超聲流量測量系統(tǒng)測量誤差小于1%,重復(fù)性優(yōu)于0.2%,符合一級(jí)表的要求。同時(shí)在大流量下,方法依然能保持低于1%的測量誤差和良好的重復(fù)性。
6結(jié)論
提出了基于精度高時(shí)差的氣體超聲流量測量方法,該方法通過回波相似度評(píng)估對(duì)回波特征點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,在特征點(diǎn)基礎(chǔ)上結(jié)合傳輸時(shí)間法與互相關(guān)法對(duì)時(shí)差進(jìn)行粗、細(xì)兩次測量以得到準(zhǔn)確的時(shí)差值，最終實(shí)現(xiàn)精度高的流量測量�！〗Y(jié)果表明,該方法在100kPa至500kPa的壓力下能對(duì)時(shí)差進(jìn)行準(zhǔn)確測量。系統(tǒng)樣機(jī)的流量測量精度滿足1級(jí)精度的要求,并在大流量下測量誤差和重復(fù)性優(yōu)于傳統(tǒng)雙閾值法。
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