摘要:針對氣(qi)體超聲流量(liang)計 在測量中(zhōng)存在回波信(xìn)号衰減大、波(bō)形易受工況(kuàng)影響的㊙️問題(tí),提出了一種(zhong)基于精度高(gāo)時差的氣體(tǐ)超聲流量測(ce)量方法。該方(fāng)法首先通過(guo)相似度評估(gū)回波信号,對(duì)回波信号特(tè)征點進行準(zhun)确定位,進而(er)獲取飛行時(shí)間差的粗測(cè)量值,其次選(xuǎn)取特定回波(bo)波形進行互(hu)相關法計算(suàn)獲得時差的(de)細測量值,最(zui)後對兩次測(ce)量結🏃🏻‍♂️果相加(jia)得到精㊙️度高(gāo)時差,從而🙇‍♀️實(shi)現精度高的(de)流量測量。不(bu)同壓力下的(de)💃聲速測量實(shi)驗⁉️表明該方(fang)法在100kPa至500kPa範圍(wéi)内可準确測(ce)量飛行時間(jian)和時差。氣體(ti)流量計樣機(jī)✔️的流量測量(liang)誤差小于🔆1%,重(zhòng)複性優于0.2%,并(bìng)在大流量下(xià)與傳統阈值(zhí)法相💛比具有(you)更✊高的正确(què)率👉和更優的(de)重複性。
　　氣體(ti)超聲流量計(ji)以結構簡單(dan)、壓損低、精度(du)高、量程寬🌍及(ji)易于維護等(deng)優點，成爲天(tian)然氣貿易中(zhong)的重要流量(liang)儀表。目前氣(qì)體💃🏻超聲流量(liang)計測量方法(fa)多采用時差(chà)法，該方法通(tōng)過超聲波在(zài)🈲管道内順、逆(ni)流傳播的飛(fēi)行時🐅間及聲(sheng)速來計算流(liú)量。飛行時間(jiān)測量常采用(yòng)曲線拟😘合法(fǎ)、互相關法和(hé)阈值法🔞,其中(zhōng)曲線拟合法(fǎ)計算過程比(bǐ)較複雜,而阈(yu)值法與互相(xiàng)關法的理論(lùn)成熟🌏,被廣泛(fàn)應用于👄氣體(ti)超聲🈲流量測(ce)量中。阈值法(fa)通過定位回(hui)波信号的特(tè)征點來測量(liang)飛行時⭕間,然(rán)而測量工況(kuang)的變化會使(shi)特征點定位(wei)錯誤,導緻測(cè)量結果誤差(cha)偏大。對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻此基(jī)于回波信号(hào)峰值的比例(lì)阈值法,該方(fāng)法通過📐回㊙️波(bō)峰值調整阈(yu)值來定🍉位特(tè)征點以求得(de)時差。基😍于分(fen)段流速的可(kě)變阈值法,通(tong)過在不同流(liú)速下設置不(bú)同阈值對特(te)征點進🌏行定(ding)位，進而求得(de)時差。基于回(huí)波極值點的(de)幅值對阈值(zhí)進行調節的(de)自📞适應阈值(zhí)法,該方✌️法使(shǐ)用當前🌈工況(kuang)👉下的回⭐波極(jí)值點對阈值(zhi)進行修正,進(jìn)而準确定位(wei)特征點位置(zhì)并得到時差(cha)。上述方法均(jun1)根據不🌈同的(de)工況對阈值(zhi)進行調整,以(yǐ)提高時差測(ce)量精度,但面(mian)對複雜的測(cè)量環境仍存(cún)在局限性。互(hu)相關👅法🔱通過(guo)将順、逆流回(huí)波信号進行(hang)互相關計算(suan)以得到時差(cha)值,可以解決(jué)由于波形變(biàn)化引起的特(te)征點定位錯(cuò)誤問題。通過(guo)選取各換能(neng)器靜态下的(de)回波信❓号均(jun)值作爲互相(xiang)關計算的參(can)考信号以提(ti)高測量結果(guǒ)的抗幹擾能(néng)力。提出了使(shi)用實時動态(tài)參考波形.進(jin)行互相關👣計(jì)算的方法,有(you)效解決了由(yóu)環境因素導(dao)緻相關性降(jiàng)低的問題,然(ran)而以上方法(fǎ)均存在計算(suan)量較大的問(wen)題。
　　針對阈值(zhí)法與互相關(guān)法存在的問(wèn)題,本文提出(chū)了基于相似(sì)度和互相關(guān)法的精度高(gāo)時差測量方(fang)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該方✏️法通(tōng)過回波相似(si)度🥵評估,實現(xian)特征點的正(zheng)确定位，并結(jie)合傳📱輸時差(chà)法與互相關(guan)法🏃🏻分别對時(shi)差進行粗、細(xì)兩次測量💚,以(yi)提高其測量(liang)精度。
測量原(yuan)理
1.1時差法基(jī)本原理
　　時差(chà)法超聲流量(liang)計的測量原(yuan)理如圖1所示(shì)。超聲換🚶‍♀️能器(qi)A,B分别安裝在(zai)流量計管道(dào)的上下遊位(wei)置,超聲🔞波從(cong)A傳播到B爲順(shun)流📞時間🚶,超聲(shēng)波從B傳播到(dao)A爲逆流⭐時間(jiān)，流體流量與(yǔ)順、逆流時間(jiān)🥰差，的關系如(ru)式(1)所示:
 
　　式中(zhong):Q是管道中氣(qì)體瞬時流量(liang)，D爲管道直徑(jìng),△t是時差,C爲聲(sheng)速,α是信号傳(chuán)播路徑與管(guan)道軸線的夾(jia)角。由式(1)可知(zhi),時差測量精(jīng)度将直接影(yǐng)響氣體超聲(shēng)流量計流量(liàng)計🔴算的精度(du)。
 
1.2時差測量方(fang)案
　　時差測量(liang)方法的原理(li)如圖2所示。首(shǒu)先通過對采(cai)集的回波信(xìn)✏️号與參考信(xin)号進行相似(si)度計算,獲得(de)回🤩波特征點(diǎn)。其次通過特(te)征點結合采(cai)樣頻率得到(dao)“粗”時差值💃🏻;同(tóng)時以☀️特征點(dian)☎️作爲起始點(diǎn)來選取特定(dìng)的波形數據(jù),并将選取波(bo)形進行上采(cai)樣處♌理，通過(guò)互相關運算(suan)得🌈到“細”時差(cha)值,最終獲得(dé)精🛀度高時差(chà)測♌量結果。
 
2基(jī)于相似度的(de)特征點定位(wei)
　　由于噪聲幹(gàn)擾和測量環(huán)境會使回波(bō)信号的幅值(zhí)✊發生變🏃🏻化，最(zui)終導緻回波(bo)信号起始點(dian)定位錯誤。因(yin)此需在回波(bo)信号上找到(dao)一個穩定的(de)特征點，如圖(tú)⛷️3所示。該特征(zhēng)點與回波起(qi)始點之間時(shí)間恒定,通過(guo)特征點結合(he)采樣頻📞率計(ji)算得到順、逆(ni)流的兩個特(tè)🚩征飛行時間(jiān)👨‍❤️‍👨Tcharacter,将兩者相減(jian)可抵消固定(ding)時延,從而得(dé)🚶‍♀️到傳播時間(jiān)差值。
 
　　目前廣(guang)泛使用的特(te)征點定位方(fāng)法是雙阈值(zhí)法,其原理如(rú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻圖4所示。第一(yī)阈值線電壓(ya)值約爲0.35V,0V幅值(zhí)線作爲第二(èr)阈🐪值用于定(ding)💋位到過零采(cǎi)樣點,即回波(bō)特征點。在不(bú)同流量或工(gong)況🌐下,回波信(xin)号的幅值特(tè)性會發生變(bian)化。此時若采(cai)用固定阈值(zhi)來确定📧回波(bō)信号特征點(diǎn)，會造成飛行(hang)時間測量存(cun)在數個周期(qi)的誤差。如圖(tú)4所示，當環境(jing)壓力從500kPa變化(hua)爲101kPa時,原本通(tōng)過第一阈值(zhí)定位的第三(san)個波形會錯(cuò)誤地定位在(zài)第四✔️個波形(xing)，上引起.測量(liang)誤差。改進的(de)阈值🈲法結合(hé)不同的工況(kuàng)來對阈值進(jìn)行調整,然而(ér)在複雜的測(cè)量環境下，這(zhe)些方法依然(rán)存在一定局(ju)限性。
 
　　針對以(yi)上問題，本文(wen)采用基于相(xiang)似度的回波(bo)特征點定位(wei)方法來獲取(qǔ)特征點。首先(xian)通過0V幅值線(xian)獲得⁉️回波信(xin)号的多個過(guò)零采👅樣點，以(yi)作爲“備選”特(te)征點，即圖5方(fāng)框内采🔞樣點(diǎn)。随後将采集(ji)得到✔️的回波(bo)信号峰值電(diàn)壓與标準工(gong)況下的峰值(zhí)電壓進行相(xiàng)似度計算,從(cóng)而正确定位(wei)到回波特征(zhēng)點。
 
　　回波信号(hào)相似度評估(gu)選擇标準工(gōng)況下的參考(kǎo)回☀️波信号I和(he)實測回波信(xìn)号J作爲相似(sì)估計對象。參(cān)考📐信号第2,3,4峰(fēng)值電💘壓值與(yǔ)實測信号各(ge)個峰值電壓(yā)值xi,xj爲特征參(cān)數,參🏃‍♀️數數量(liàng)n取3。通過計算(suan),選取與參考(kao)回波信号歐(ou)氏距離最小(xiǎo)的一組實測(ce)回波信号峰(fēng)值✨,即實際回(hui)波信号的第(di)2,3,4波峰值,将特(tè)征點準确定(ding)位到實際回(huí)波🐕信👅号第2波(bo)後的過🔆零點(diǎn),即圖5中點🐕P2。
3精(jīng)度高時差的(de)測量
3.1粗時差(chà)測量
　　激勵信(xin)号驅動超聲(shēng)換能器發射(shè)聲波後,采樣(yàng)電路開始📧進(jin)行回波信号(hào)采集。超聲波(bo)順、逆流傳播(bo)的飛行時間(jiān)tui和tdi通過其對(duì)應采樣點數(shù)n與采樣間隔(gé)T的乘積表示(shi),求得粗時差(cha)值,計算如式(shi)(3)所示:
 
　　式中:n1和(he)n2分别爲順、逆(ni)流下回波信(xin)号特征點對(duì)應的采樣點(diǎn)數。
3.2細時差測(ce)量
3.2.1波形選取(qu)與上采樣處(chu)理
　　針對互相(xiang)關計算過程(cheng)中運算量較(jiao)大的問題,選(xuǎn)擇回波信号(hao)特征點後三(sān)個周期的采(cǎi)樣點作爲待(dai)處理數據以(yǐ)降低🐇運算量(liàng)。具體信号如(ru)圖6虛線方框(kuàng)内🥵點所示。
 
　　對(duì)選取信号進(jìn)行上采樣處(chù)理來提高采(cǎi)樣率。上采樣(yàng)處理包括✂️數(shù)據的插值和(he)低通濾波兩(liang)個步驟。首🏃🏻先(xian)将采集到的(de)數據量爲N的(de)原始信号x[n]中(zhōng)每兩個采樣(yang)點之✍️間插人(ren)L-1個零值得到(dao)信号xu[n],如式(4)所(suo)示:
 
　　爲了更好(hao)地觀察信号(hào)處理前後的(de)頻率特性,通(tong)過式(5)、式(6)将信(xìn)号x[n]、xu[n]轉移到頻(pin)域,如式(7)所示(shì),并得到幅度(du)譜圖,如圖7(a)、圖(tu)7(b)所示。
 
　　對于因(yīn)子爲L的插零(líng)擴展,相較于(yú)圖7(a),插值後的(de)信号在基帶(dai)_上有L-1個額外(wai)的原信号譜(pu)鏡像産生。随(sui)後通過低通(tōng)濾波濾除這(zhe)L-1個鏡像,等同(tong)于将内插樣(yang)本值“填入”到(dào)xu[n]中的零樣本(ben)，上，實現原采(cai)集信⁉️号x[n]的上(shàng)采樣處理。
設(she)計的低通濾(lü)波器的頻域(yù)表達爲式(8):
 
 
　　當(dāng)C=L時滿足零初(chu)始條件,濾波(bo)器的頻域表(biǎo)達如式(10)所🐇示(shì):
 
　　采樣信号x[n]與(yu)經過L=20進行上(shàng)采樣處理後(hòu)信号xu[n]的數據(jù)與幅度譜圖(tu)如圖8(a)和圖8(b)所(suǒ)示,結果表明(míng)上采樣處理(lǐ)後的信号采(cai)樣率增🔴大了(le)20倍,同時處理(li)後的數據曲(qu)線光滑,證明(míng)上采樣處理(lǐ)符合🏒預期效(xiào)果。
 
3.2.2互相關計(jì)算
　　将順、逆流(liú)回波信号的(de)原始采樣數(shù)據進行上采(cai)樣處理得到(dào)xu(n)、yu(n)後🌈,通過離散(sàn)互相關運算(suan)式(11)得到互相(xiang)關函數🈲Rxy(m):
 
　　式中(zhong):m=(-N+1,N-1),N爲回波數據(ju)的信号長度(dù)。如圖9所示，互(hu)相關函✏️數☁️Rxy(m)的(de)峰值B所☀️對應(yīng)的時間值即(jí)爲兩信号時(shí)差。爲了🌈進一(yī)步提高時差(chà)精度,選取互(hù)相關函數Rxy(m)中(zhōng)峰值處的三(san)個最高點A、B、C進(jin)行曲線拟合(he)以得到更精(jīng)确的峰值D(max，ymax)。
通(tong)過式(12)得到xmax對(duì)應的細時差(chà)值△tcorr，其中T爲采(cǎi)樣間隔。
 
4系統(tǒng)實現
4.1硬件設(shè)計
　　采用MSP430F6638芯片(piàn)作爲核心控(kòng)制單元,負責(ze)整個測量過(guo)程中時序和(he)所屬電路的(de)控制。FPGA模塊用(yòng)以産生驅動(dong)電🍓路的觸發(fa)脈沖🈲以及對(dui)采♌樣數據進(jin)行實時獲取(qǔ)與存儲,如圖(tu)10所示。包括兩(liang)路激勵電路(lu)、切換接收電(diàn)路、回波信号(hao)處理電路✊(濾(lǜ)波放大電路(lu)、回波到達電(diàn)路、峰值檢測(cè)電路)和信号(hào)采樣電路等(děng)。激勵電路将(jiāng)觸發脈沖進(jin)行🥵推挽放大(dà)後輸人到超(chāo)聲波換能器(qì)并使其發射(she)超聲波。回波(bo)信号接收後(hòu)經過回波到(dào)達探測電路(lu)産生一個回(huí)波到達信号(hào)再輸入到單(dan)片機。MSP430單片機(jī)通過内部AD對(duì)👉經過峰值檢(jiǎn)測電路的回(huí)波信号進行(hang)采集,獲得回(huí)波🛀的最大峰(fēng)值。放🚶大後的(de)回🏃‍♀️波信号由(you)FPGA配合高速AD以(yǐ)及RAM進行模數(shù)轉換和數據(ju)存儲,采❗集到(dào)的數據通過(guò)485通信電路傳(chuan)輸到計算機(jī)進行數據處(chù)💃🏻理。
 
　　電路采用(yong)的超聲換能(neng)器中心頻率(lü)爲200kHz,驅動信号(hào)幅值爲20V。采🚩樣(yang)電😘路中高速(sù)采集芯片選(xuan)用AD9237-40,采樣頻率(lü)設🏃🏻定爲5MHz。
4.2軟件(jian)設計
　　軟件設(she)計包含MSP430程序(xù)和MATLAB程序兩個(gè)部分，如圖11所(suo)示。
 
　　MSP430程序流程(chéng)如下所述。系(xi)統初上電後(hòu),MSP430F6638将對I0口、定時(shi)器及FPGA模塊等(děng)各.個參數進(jìn)行初始化并(bing)進人低功耗(hao)模式。定時器(qi)達到0.5s時,微🧡處(chu)理🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器控制FPGA芯(xin)片産生激勵(li)信号輸人到(dào)指定的發射(shè)換能器中。當(dāng)單💃🏻片機接收(shou)到回波到達(dá)信号後，,微控(kong)制器使能FPGA對(dui)處理後的回(huí)波信号進行(háng)采樣并存儲(chu)在FPGA的RAM中,同時(shí)開啓單片機(ji)内部AD對回波(bo)最🈲大🈚峰值電(dian)壓進行采集(ji)。随後，通過上(shàng)位機通訊将(jiang)🙇🏻采集到㊙️的回(huí)波數據傳輸(shū)🈲到MATLAB程序。MATLAB程序(xu)首先根據回(hui)波相似度計(jì)算定位到回(huí)波信号的特(te)征點，其次以(yi)特征點爲基(ji)礎結合采樣(yàng)頻率和互❓相(xiàng)關🌈法得到精(jing)度高的飛行(hang)時間差以及(jí)實時聲速值(zhi)，利用時差法(fa)計🔱算式(1)得到(dào)瞬時流量值(zhi)。
5實驗驗證
　　爲(wei)評估方法法(fǎ)的有效性，采(cǎi)用壓力實驗(yan)驗證時間👈差(chà)測量的穩定(ding)性,進而通過(guo)流量實驗驗(yan)證整體算法(fa)的精度。
5.1壓力(lì)實驗研究
　　裝(zhuāng)置如圖12所示(shi),包括氮氣鋼(gang)瓶和密封管(guǎn)路裝置等。選(xuǎn)擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及500kPa五個壓(yā)力點進行相(xiang)關的壓力。
 
　　采(cǎi)用本文的信(xìn)号處理方法(fa)和基于TDC-GP22測量(liang)模塊的傳🚶‍♀️統(tong)雙阈值法時(shi)差測量方法(fa)(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對比。由(you)于在測量過(guò)程中時差值(zhi)難以直觀表(biao)示,而聲速測(ce)量與時差測(cè)量均以飛行(háng)🎯時間爲基礎(chǔ),因此在各個(ge)壓力下比較(jiào)兩種方🛀法測(ce)量得到的聲(shēng)速值與理論(lun)聲速值來間(jiān)接驗證測量(liang)的穩定性，結(jie)果如表1所示(shì)。
 
　　由表1可知,使(shi)用基于回波(bo)相似度進行(háng)特征點定位(wei)的方法🆚測得(de)☎️的5個壓力試(shi)驗點下聲速(sù)值均與理論(lun)🔆聲速吻合,最(zui)大誤差僅爲(wèi)-0.13m/s。而傳統雙阈(yu)值法計算得(dé)到的聲速在(zai)101.9kPa、203.2kPa及💚305.5kPa下與理⛱️論(lun)聲速吻合，但(dan)在405.2kPa壓力下與(yu)理論聲速産(chan)生明顯💋偏差(cha),與此同時壓(yā)力越大,偏差(chà)數值越大。而(er)在509.5kPa下,聲速測(cè)量值與理論(lun)聲速差值高(gao)達7.89m/s。實驗結果(guǒ)證明基于回(huí)波相似度的(de)特征點🍉定位(wèi)信号處理♋方(fāng)法能在不同(tóng)壓力下實現(xiàn)飛行時間差(cha)測♈量的正确(que)率。
5.2流量實驗(yan)研究
　　選用圖(tú)13所示精度等(deng)級爲0.25級的LQB-1000臨(lín)界流文丘裏(lǐ)音速噴嘴校(xiao)準⭐裝置,采用(yòng)管徑爲50mm的氣(qì)體超聲流量(liang)測量系統樣(yang)機，流量範圍(wei)🌏爲2m'/h~160m'/h。根據超聲(shēng)流量計檢定(ding)規程🥰《JJG1030-2007超聲流(liu)量計》,選擇分(fen)界流量點爲(wei)16m2/h。各個流量檢(jian)定點🈚爲Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每(mei)個流量點測(ce)量90s。将測量得(dé)到的流量值(zhí)和标準裝置(zhi)的平均流量(liàng)值進🐪行比較(jiào),計算誤差并(bing)進行三次實(shi)驗來得到重(zhòng)複性。基于TDM-SC與(yu)TDM-DT兩種方法的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼測量結果如(rú)表2所示。
 
　　表2數(shu)據表明，基于(yu)TDM-SC的氣體超聲(sheng)流量測量系(xì)統測量誤差(cha)小于1%,重複性(xìng)優于0.2%,符合一(yi)級表的要求(qiú)。同時在大流(liú)量下,方法依(yī)然能保👣持低(di)于1%的測量誤(wù)差和良好的(de)重複性。
 
6結論(lun)
　　提出了基于(yú)精度高時差(chà)的氣體超聲(shēng)流量測量方(fāng)法,該方法通(tong)過回波相似(si)度評估對回(hui)波特征點進(jìn)❗行準❌确定♈位(wèi),在特征🏃點基(ji)礎上結合傳(chuán)輸時間法與(yǔ)🐅互相關法對(duì)時差進行粗(cū)、細兩次測量(liang)以得到準确(què)的時差值，最(zuì)終實現👨‍❤️‍👨精度(du)高的流量測(cè)量。　結果表明(ming),該方法在100kPa至(zhi)🌍500kPa的壓力下能(néng)對時差進行(háng)準确測量。系(xì)統樣機的流(liú)✌️量測量精度(dù)滿足1級精度(dù)的要求,并在(zai)大流量下測(ce)量誤👌差和重(zhong)複性優于傳(chuán)統雙阈值法(fa)。

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