摘要:針對(dui)氣體超聲(sheng)流量計
在(zai)測量中存(cun)在回波信(xin)号衰減大(da)、波形易受(shou)工況影響(xiang)的問題,提(ti)出了一種(zhong)基于精度(du)高時差的(de)氣體超聲(sheng)流🔴量測量(liang)方法。該方(fang)法✨首先通(tong)過相似度(du)評估回波(bo)信号,對回(hui)波信号特(te)征點進🔞行(hang)準确定位(wei),進而獲取(qu)飛行時間(jian)差的粗測(ce)量值,其次(ci)選取特定(ding)回波波形(xing)進行互相(xiang)關法計算(suan)獲得時差(cha)的細💔測量(liang)值,最後👅對(dui)兩次測量(liang)結果相加(jia)得到精🙇♀️度(du)高時差,從(cong)而實現精(jing)度高的流(liu)量測量。不(bu)同壓力下(xia)的聲速測(ce)量實驗👉表(biao)明該方法(fa)在100kPa至500kPa範🌏圍(wei)内可準确(que)測量飛行(hang)時間和時(shi)差。氣體🌍流(liu)量計樣機(ji)的流量測(ce)量誤差小(xiao)于1%,重複性(xing)優于0.2%,并在(zai)大流量下(xia)與傳統阈(yu)值法相比(bi)具有更高(gao)的正确率(lü)和更優的(de)重複性。
氣(qi)體超聲流(liu)量計以結(jie)構簡單、壓(ya)損低、精度(du)高、量程寬(kuan)及易于維(wei)護等優點(dian)，成爲天然(ran)氣貿易中(zhong)的重要流(liu)量儀表。目(mu)前氣體🌐超(chao)聲流量計(ji)測量方法(fa)多采用時(shi)差法，該方(fang)法通過超(chao)聲波在🚩管(guan)道内順、逆(ni)流傳播的(de)飛行時間(jian)及聲速來(lai)計算流量(liang)。飛行時間(jian)測量常🎯采(cai)用曲線拟(ni)合法、互相(xiang)關法和阈(yu)值法🏃♂️,其中(zhong)曲線拟合(he)法計算過(guo)程🏃🏻比較複(fu)雜,而阈值(zhi)法與互相(xiang)關法的理(li)論成熟,被(bei)廣泛應用(yong)于氣體超(chao)聲流量測(ce)量中。阈值(zhi)法通過定(ding)位回波信(xin)号的特征(zheng)點來測量(liang)飛行時間(jian),然而測量(liang)工況的變(bian)化會使特(te)征點定位(wei)錯誤,導🤞緻(zhi)測量結果(guo)誤差偏大(da)。對此基于(yu)回波信号(hao)峰值的比(bi)例阈值法(fa),該方法通(tong)過回波峰(feng)值調整阈(yu)值來定位(wei)特征點以(yi)求得時差(cha)。基于分段(duan)流速的可(ke)變阈值法(fa),通過在不(bu)同流速下(xia)設置不同(tong)阈值對✂️特(te)征點進行(hang)定位，進而(er)求得時差(cha)。基于回波(bo)極🐆值點的(de)幅值對阈(yu)值進行調(diao)節的自👄适(shi)應阈值法(fa),該方法使(shi)用當前🤟工(gong)況下的回(hui)🔴波極值點(dian)對阈值進(jin)行修正,進(jin)而準确定(ding)位特征點(dian)位置并得(de)到時差。上(shang)述方法均(jun)根據不👅同(tong)的工況對(dui)阈值進🎯行(hang)調整,以提(ti)高時差測(ce)量精度,但(dan)面對複雜(za)的測量環(huan)境仍🌐存在(zai)局限性。互(hu)相關🔞法🤩通(tong)過将順、逆(ni)流回波💘信(xin)号進行互(hu)相關計算(suan)以得到時(shi)差值,可以(yi)解決由于(yu)波形變化(hua)引起的特(te)⭕征點定🤩位(wei)錯誤問題(ti)。通過選取(qu)各換能器(qi)靜态下🈲的(de)回波信号(hao)均🔞值作爲(wei)互相關計(ji)算的參考(kao)信号以提(ti)高測量💛結(jie)果的🛀🏻抗幹(gan)擾能力。提(ti)出了使用(yong)實時動态(tai)參考波形(xing).進行互相(xiang)關計算的(de)方法,有效(xiao)解決了由(you)環境因素(su)導緻相關(guan)性降低🏒的(de)問題,然而(er)以上方法(fa)均存在計(ji)算量較大(da)的💚問題。
針(zhen)對阈值法(fa)與互相關(guan)法存在的(de)問題,本文(wen)提出了基(ji)于相似❄️度(du)💜和互相關(guan)法的精度(du)高時差測(ce)量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該(gai)方法通過(guo)回波相♉似(si)度🌈評估,實(shi)現特征點(dian)的正确⛱️定(ding)位，并結合(he)傳輸時差(cha)法與互相(xiang)關法💋分别(bie)對時差進(jin)行粗、細兩(liang)次測量,以(yi)提高其測(ce)量精度。
測(ce)量原理
1.1時(shi)差法基本(ben)原理
時差(cha)法超聲流(liu)量計的測(ce)量原理如(ru)圖1所示。超(chao)聲換🧑🏽🤝🧑🏻能器(qi)A,B分别安❤️裝(zhuang)在流量計(ji)管道的上(shang)下遊位置(zhi),超聲波從(cong)A傳播到B爲(wei)順流時間(jian),超聲波從(cong)B傳播到A爲(wei)逆流🔞時間(jian)，流體流量(liang)與順、逆流(liu)時間差，的(de)關系如式(shi)(1)所示:
式中(zhong):Q是管道中(zhong)氣體瞬時(shi)流量，D爲管(guan)道直徑,△t是(shi)時差,C爲聲(sheng)速,α是信号(hao)傳播路徑(jing)與管道軸(zhou)線的夾角(jiao)。由式👅(1)可知(zhi),時差測量(liang)精度将直(zhi)接影響氣(qi)體超聲流(liu)量計流量(liang)計算的精(jing)度。
1.2時差測(ce)量方案
時(shi)差測量方(fang)法的原理(li)如圖2所示(shi)。首先通過(guo)對采集的(de)回波信🤩号(hao)📐與參考信(xin)号進行相(xiang)似度計算(suan),獲得回波(bo)特征點。其(qi)次通過特(te)征點結合(he)采樣頻率(lü)得到“粗”時(shi)差值;同時(shi)以特征點(dian)作爲起始(shi)點來選取(qu)特定的💁波(bo)形數據,并(bing)将選取波(bo)形進行上(shang)采樣處理(li)，通過互🈲相(xiang)關運算得(de)✨到“細”時差(cha)值,最終獲(huo)得精📞度高(gao)時差測量(liang)結果。
2基于(yu)相似度的(de)特征點定(ding)位
由于噪(zao)聲幹擾和(he)測量環境(jing)會使回波(bo)信号的幅(fu)值發生變(bian)化🔞，最終導(dao)緻回波信(xin)号起始點(dian)定位錯誤(wu)。因此需🍉在(zai)回波信号(hao)上找到一(yi)個穩定的(de)特征點，如(ru)圖3所示。該(gai)特征點與(yu)回波起始(shi)點之間時(shi)🧡間恒定,通(tong)過特征點(dian)結💛合采樣(yang)頻率計算(suan)得到順、逆(ni)流的兩個(ge)特🧑🏾🤝🧑🏼征飛行(hang)時間Tcharacter,将兩(liang)者相減可(ke)抵消固定(ding)時延,從而(er)得到傳播(bo)時間差值(zhi)。
目前廣泛(fan)使用的特(te)征點定位(wei)方法是雙(shuang)阈值法,其(qi)原理⁉️如圖(tu)4所示。第一(yi)阈值線電(dian)壓值約爲(wei)0.35V,0V幅值線作(zuo)爲第二阈(yu)值用于定(ding)位到過零(ling)采樣點,即(ji)回波特征(zheng)點。在不同(tong)流量或工(gong)況下,回波(bo)信号的🎯幅(fu)值特性會(hui)發生變化(hua)🚶♀️。此時若采(cai)用固定阈(yu)值來确定(ding)回波信号(hao)💁特征點，會(hui)造成飛行(hang)時間測量(liang)存在數個(ge)周期的誤(wu)👨❤️👨差。如圖4所(suo)示，當環境(jing)壓力從500kPa變(bian)化爲101kPa時,原(yuan)本通過第(di)一阈值定(ding)位的第三(san)個波形會(hui)錯誤地定(ding)位在第四(si)個波形，上(shang)引起.測量(liang)💚誤差。改進(jin)的阈值法(fa)結合不同(tong)🏃♀️的工況來(lai)對阈值進(jin)行調整,然(ran)而在複雜(za)的測量環(huan)境下，這些(xie)方法依然(ran)存在一定(ding)局限性。
針(zhen)對以上問(wen)題，本文采(cai)用基于相(xiang)似度的回(hui)波特征點(dian)定位方法(fa)來獲取特(te)征點。首先(xian)通過0V幅值(zhi)線獲得回(hui)波信号的(de)多個過零(ling)采💔樣點，以(yi)作爲“備選(xuan)”特征點，即(ji)圖5方框内(nei)采樣點。随(sui)後将采集(ji)得到的回(hui)波信号峰(feng)值電壓與(yu)标準工況(kuang)下的峰🚶♀️值(zhi)電壓進行(hang)相似度計(ji)算,從而正(zheng)确定位到(dao)回波特征(zheng)點。
回波信(xin)号相似度(du)評估選擇(ze)标準工況(kuang)下的參考(kao)回波信👣号(hao)🍓I和實🙇♀️測回(hui)波信号J作(zuo)爲相似估(gu)計對象。參(can)考信号第(di)2,3,4峰值電壓(ya)值與實測(ce)信号各個(ge)峰值電壓(ya)值xi,xj爲特征(zheng)參數,參數(shu)數量n取3。通(tong)過計算,選(xuan)取與參考(kao)回波信号(hao)歐氏距離(li)最小的一(yi)組🌈實測回(hui)波🌍信号峰(feng)值🤩,即實際(ji)回波信号(hao)的第2,3,4波峰(feng)值,将特征(zheng)點準确定(ding)位到實際(ji)回波信号(hao)第2波後的(de)過☔零點,即(ji)圖5中點P2。
3精(jing)度高時差(cha)的測量
3.1粗(cu)時差測量(liang)
激勵信号(hao)驅動超聲(sheng)換能器發(fa)射聲波後(hou),采樣電路(lu)開始進👣行(hang)回波信号(hao)采集。超聲(sheng)波順、逆流(liu)傳播的飛(fei)🚶♀️行時間tui和(he)tdi通過其對(dui)應采🔞樣點(dian)數n與采樣(yang)間隔T的乘(cheng)積表示,求(qiu)得粗時差(cha)值,計算如(ru)式(3)所示:
式(shi)中:n1和n2分别(bie)爲順、逆流(liu)下回波信(xin)号特征點(dian)對應的采(cai)樣點數。
3.2細(xi)時差測量(liang)
3.2.1波形選取(qu)與上采樣(yang)處理
針對(dui)互相關計(ji)算過程中(zhong)運算量較(jiao)大的問題(ti),選擇回波(bo)信号特征(zheng)點後三個(ge)周期的采(cai)樣點作爲(wei)待處理數(shu)據以降低(di)運算量。具(ju)體信号如(ru)圖6虛線方(fang)框内點所(suo)示。
對選取(qu)信号進行(hang)上采樣處(chu)理來提高(gao)采樣率。上(shang)采樣處理(li)🔅包🤟括數據(ju)的插值和(he)低通濾波(bo)兩個步驟(zhou)。首先将采(cai)集到的數(shu)據量爲💘N的(de)原始信号(hao)x[n]中每兩個(ge)采樣點之(zhi)間插人L-1個(ge)零值得到(dao)信号xu[n],如式(shi)(4)所示:
爲了(le)更好地觀(guan)察信号處(chu)理前後的(de)頻率特性(xing),通過式(5)、式(shi)(6)将♈信号🥰x[n]、xu[n]轉(zhuan)移到頻域(yu),如式(7)所示(shi),并得到幅(fu)度譜♌圖,如(ru)圖7(a)、圖♍7(b)所示(shi)。
對于因子(zi)爲L的插零(ling)擴展,相較(jiao)于圖7(a),插值(zhi)後的信号(hao)📧在基帶_上(shang)有L-1個額外(wai)的原信号(hao)譜鏡像産(chan)生。随後通(tong)過低通濾(lü)波濾❌除這(zhe)L-1個鏡💯像,等(deng)同于将内(nei)插樣本值(zhi)“填入”到xu[n]中(zhong)的零🍉樣本(ben)，上，實現原(yuan)采集信号(hao)x[n]的上采樣(yang)處理。
設計(ji)的低通濾(lü)波器的頻(pin)域表達爲(wei)式(8):
當C=L時滿(man)足零初始(shi)條件,濾波(bo)器的頻域(yu)表達如式(shi)(10)所示:
采樣(yang)信号x[n]與經(jing)過L=20進行上(shang)采樣處理(li)後信号xu[n]的(de)數據與幅(fu)度譜圖如(ru)圖8(a)和圖8(b)所(suo)示,結果表(biao)明上采樣(yang)處理🈲後的(de)🌈信号✔️采樣(yang)率增大了(le)20倍,同時處(chu)理後的數(shu)據曲線光(guang)滑,證明上(shang)采樣處理(li)符合預期(qi)效果。
3.2.2互相(xiang)關計算
将(jiang)順、逆流回(hui)波信号的(de)原始采樣(yang)數據進行(hang)上采樣💚處(chu)理得到xu(n)、yu(n)後(hou),通過離散(san)互相關運(yun)算式(11)得到(dao)互相關函(han)數Rxy(m):
式中:m=(-N+1,N-1),N爲(wei)回波數據(ju)的信号長(zhang)度。如圖9所(suo)示，互相關(guan)函數Rxy(m)的峰(feng)值B所對應(ying)的時間值(zhi)即爲兩信(xin)号時差。爲(wei)了進一步(bu)提高時差(cha)精度,選取(qu)互相關函(han)數Rxy(m)中峰值(zhi)處的三個(ge)最高點⁉️A、B、C進(jin)行曲🧑🏾🤝🧑🏼線拟(ni)合以得到(dao)更精确的(de)峰值D(max，ymax)。
通過(guo)式(12)得到xmax對(dui)應的細時(shi)差值△tcorr，其中(zhong)T爲采樣間(jian)隔。
4系統實(shi)現
4.1硬件設(she)計
采用MSP430F6638芯(xin)片作爲核(he)心控制單(dan)元,負責整(zheng)個測量過(guo)程🈲中㊙️時序(xu)和所屬電(dian)路的控制(zhi)。FPGA模塊用以(yi)産生驅動(dong)電路的觸(chu)發🍉脈沖✏️以(yi)及對采樣(yang)數據進行(hang)實時獲取(qu)與存儲,如(ru)圖10所示📧。包(bao)括兩路激(ji)勵🥰電路、切(qie)換接收電(dian)路、回波信(xin)号處理電(dian)路(濾波放(fang)大電路、回(hui)波到達電(dian)路🤞、峰值檢(jian)測電路)和(he)信号采🚶樣(yang)電路等。激(ji)勵電路将(jiang)觸📧發脈沖(chong)進行推挽(wan)放大後輸(shu)人🍓到超聲(sheng)波換能⁉️器(qi)并使其發(fa)射超聲波(bo)💜。回波信号(hao)接收後經(jing)過回波到(dao)達探測電(dian)路産生一(yi)個回波到(dao)達信号再(zai)輸入到單(dan)片🏃♂️機。MSP430單片(pian)機通過内(nei)部AD對經過(guo)峰值檢測(ce)電路的回(hui)波信号進(jin)行采集,獲(huo)得回波的(de)最大峰值(zhi)。放大後的(de)回波信号(hao)由FPGA配合高(gao)速AD以及RAM進(jin)💋行模數轉(zhuan)換和數據(ju)存🍉儲,采🈲集(ji)到的數據(ju)通過485通👅信(xin)電路傳輸(shu)到計算機(ji)進行數據(ju)處理。
電路(lu)采用的超(chao)聲換能器(qi)中心頻率(lü)爲200kHz,驅動信(xin)号幅值爲(wei)20V。采🛀樣電路(lu)中高速采(cai)集芯片選(xuan)用AD9237-40,采樣頻(pin)率設定爲(wei)5MHz。
4.2軟件設計(ji)
軟件設計(ji)包含MSP430程序(xu)和MATLAB程序兩(liang)個部分，如(ru)圖11所示。
MSP430程(cheng)序流程如(ru)下所述。系(xi)統初上電(dian)後,MSP430F6638将對I0口(kou)、定時器及(ji)🔞FPGA模🌐塊等各(ge).個參數進(jin)行初始化(hua)并進人低(di)功耗模式(shi)。定時器🚩達(da)到0.5s時,微處(chu)理💋器控制(zhi)FPGA芯片産生(sheng)激勵信号(hao)輸人😘到指(zhi)定的發射(she)換能器中(zhong)。當單片機(ji)接收到回(hui)波到達信(xin)号後，,微控(kong)制器使能(neng)FPGA對處理🌂後(hou)的回波信(xin)号進行采(cai)樣并存儲(chu)在FPGA的RAM中,同(tong)時開啓單(dan)片機内部(bu)AD對回波最(zui)大峰值電(dian)壓進行采(cai)集。随後，通(tong)過上位機(ji)通訊将👉采(cai)集到的回(hui)波數據傳(chuan)輸到MATLAB程序(xu)。MATLAB程序首先(xian)根據回波(bo)相似度🌍計(ji)算定位到(dao)回波信号(hao)的特征點(dian)，其次以特(te)征點爲基(ji)礎結合采(cai)樣頻率和(he)互相關法(fa)得到精度(du)高的㊙️飛行(hang)時間差以(yi)及實時聲(sheng)速值，利💁用(yong)時差法計(ji)算式(1)得到(dao)瞬時🔞流量(liang)值。
5實驗驗(yan)證
爲評估(gu)方法法的(de)有效性，采(cai)用壓力實(shi)驗驗證時(shi)間差測量(liang)♋的穩📐定性(xing),進而通過(guo)流量實驗(yan)驗證整體(ti)算法的精(jing)度🈲。
5.1壓力實(shi)驗研究
裝(zhuang)置如圖12所(suo)示,包括氮(dan)氣鋼瓶和(he)密封管路(lu)裝置等💛。選(xuan)擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及500kPa五個(ge)壓力點進(jin)行相關的(de)壓力。
采用(yong)本文的信(xin)号處理方(fang)法和基于(yu)TDC-GP22測量模塊(kuai)的傳統雙(shuang)阈🆚值法時(shi)差測量方(fang)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對(dui)比。由于在(zai)測量過程(cheng)🐆中時差值(zhi)難以直觀(guan)表示,而聲(sheng)速測量與(yu)時差測量(liang)均以飛行(hang)✂️時間爲基(ji)礎,因此在(zai)各個壓力(li)下比較兩(liang)種方法測(ce)量得🍓到的(de)聲速值與(yu)理論聲速(su)值來㊙️間接(jie)驗證測😍量(liang)的穩定性(xing)，結果如表(biao)1所示。
由表(biao)1可知,使用(yong)基于回波(bo)相似度進(jin)行特征點(dian)定位的🔞方(fang)法測得的(de)5個壓力試(shi)驗點下聲(sheng)速值均與(yu)理論聲速(su)吻合,最大(da)誤差僅爲(wei)-0.13m/s。而傳統雙(shuang)阈值法計(ji)算得到的(de)聲🚩速在101.9kPa、203.2kPa及(ji)305.5kPa下與理論(lun)聲速吻合(he)，但在405.2kPa壓力(li)下與🏒理論(lun)聲速産生(sheng)明顯偏差(cha),與此同時(shi)壓力越大(da),偏差👣數值(zhi)越大。而🌈在(zai)509.5kPa下,聲速測(ce)🤞量值與理(li)論👨❤️👨聲速差(cha)值高達7.89m/s。實(shi)驗結果🏃🏻♂️證(zheng)明基于回(hui)波相似度(du)的特征點(dian)定位信号(hao)處理方法(fa)能在不同(tong)壓力下實(shi)現飛行時(shi)間差測量(liang)的正确率(lü)。
5.2流量實驗(yan)研究
選用(yong)圖13所示精(jing)度等級爲(wei)0.25級的LQB-1000臨界(jie)流文丘裏(li)音速🔞噴嘴(zui)校準裝置(zhi),采用管徑(jing)爲50mm的氣體(ti)超聲流量(liang)測量🛀系統(tong)樣機，流量(liang)範圍🐇爲2m'/h~160m'/h。根(gen)🏃🏻據超聲流(liu)量計檢定(ding)規程㊙️《JJG1030-2007超聲(sheng)流量計》,選(xuan)擇分界🔞流(liu)量點爲16m2/h。各(ge)個流量檢(jian)定點爲Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和(he)Qmax，每個流量(liang)點測量90s。将(jiang)測量得到(dao)的流量值(zhi)和标準裝(zhuang)置的平均(jun)流量值進(jin)行比較,計(ji)算誤差并(bing)進行三次(ci)實驗來得(de)到重複性(xing)。基于TDM-SC與TDM-DT兩(liang)種方法的(de)👌測量🏃♂️結果(guo)如表2所示(shi)。
表2數據表(biao)明，基于TDM-SC的(de)氣體超聲(sheng)流量測量(liang)系統測量(liang)🔴誤差🍉小于(yu)1%,重複性優(you)于0.2%,符合一(yi)級表的要(yao)求。同時在(zai)👅大流🙇♀️量下(xia),方法依然(ran)能保持低(di)于1%的測量(liang)誤差和良(liang)好的重複(fu)性。
6結論
提(ti)出了基于(yu)精度高時(shi)差的氣體(ti)超聲流量(liang)測量方🤞法(fa)☀️,該方法通(tong)過回波相(xiang)似度評估(gu)對回波特(te)征點進⛱️行(hang)準确定位(wei),在特征點(dian)基礎上結(jie)合傳輸時(shi)間法與❌互(hu)相關法對(dui)時差進行(hang)粗、細兩次(ci)測量以得(de)到準确的(de)時差值💘，最(zui)終實現😘精(jing)度高的流(liu)量測量。 結(jie)果表明,該(gai)方法在100kPa至(zhi)500kPa的壓力下(xia)能🆚對時差(cha)進行準确(que)測量。系💔統(tong)樣機的流(liu)量測量精(jing)度滿足1級(ji)精度的要(yao)求,并在大(da)流量下測(ce)量誤差和(he)重複性優(you)于傳統雙(shuang)阈值法。
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