摘要:針對(dui)氣體超聲流量(liang)計 在測量中存(cún)在回波信号衰(shuai)減大、波形易受(shou)工況影響的♉問(wèn)題,提出了一種(zhǒng)基于精度高時(shí)差的氣體超聲(shēng)流量測💯量方法(fa)。該方法首先通(tong)過相似度評估(gu)回波信号,對回(hui)波信号特征點(dian)進行準确定位(wèi),進而獲取飛行(hang)時間差的粗🍓測(cè)量值,其次選取(qu)特💔定回波波形(xíng)進行互相🌏關法(fa)計算獲得時差(chà)的細測量值,最(zui)後🔴對兩次測量(liàng)📐結果相加得到(dao)精🚶‍♀️度高時差,從(cóng)而實現精度高(gāo)的流量測量。不(bu)同壓力下的⭐聲(sheng)速測量實驗表(biao)明該方法在100kPa至(zhì)500kPa範🛀🏻圍内可準确(què)測量飛🤟行時間(jian)和時差。氣體流(liu)量計樣機的流(liu)量測量誤差小(xiao)于1%,重複性優于(yu)0.2%,并在大流量下(xià)與傳統阈值法(fa)相比具有更高(gao)的正确率和更(gèng)優的重複性。
　　氣(qi)體超聲流量計(jì)以結構簡單、壓(yā)損低、精度高、量(liàng)程❌寬及易于維(wei)護等優點，成爲(wèi)天然氣貿易中(zhong)的重要流量🏃‍♂️儀(yí)表。目前氣體超(chāo)聲流量計測量(liàng)方法多采用時(shí)差法，該方法通(tong)過超聲波在管(guan)道内順、逆流傳(chuan)播的飛行時間(jian)及聲速來計算(suan)流量。飛行時間(jiān)測量常🔞采用曲(qǔ)線拟合法、互相(xiàng)關♉法和阈值法(fǎ),其中曲線拟合(he)法計算過🍉程比(bǐ)較複雜,而阈值(zhí)法與互相關法(fa)的理論成熟,被(bèi)廣泛應用于氣(qì)體超聲流量測(ce)量中。阈📞值法通(tong)過定位回波信(xìn)号的特征點來(lai)測量飛行時間(jiān),然而測量工況(kuàng)的變化會使特(tè)征點定位錯誤(wù),導🔅緻測量結果(guǒ)誤差偏大。對此(cǐ)基于回波信号(hào)峰值的👅比例阈(yù)值法,該方法通(tōng)過回波峰值調(diào)整阈值來定位(wèi)特征點以求得(de)時差。基于分段(duan)流速的可變阈(yù)值法,通過在😄不(bu)同流速下設置(zhì)不同阈值對特(tè)征點進行定位(wèi)，進而求得時差(cha)。基于回波極值(zhí)點的幅值對🙇🏻阈(yu)值進行調節的(de)自适應阈值✌️法(fǎ),該方法使用當(dang)前工況下的回(huí)波極值點對阈(yu)值進行修正,進(jin)而準确定位特(tè)征點位置并得(dé)到時差😘。上述方(fāng)法均根據不⛷️同(tong)的工況對阈值(zhí)進行調整,以提(ti)高時差測量精(jing)度,但面對複雜(zá)的測量環境仍(réng)存在局限性。互(hu)相關法通過将(jiāng)順、逆流回波信(xin)号進行互相🔴關(guan)計算以得到時(shí)差值,可以解決(jue)由于波形變✂️化(hua)引起的特📧征點(dian)定位錯誤問題(tí)。通過選取各換(huàn)能器靜态下的(de)回波信👣号均值(zhi)作爲互相關計(ji)算的參考信号(hao)以提高測量結(jie)果的抗幹擾能(néng)力。提出了使用(yong)實時動态參考(kao)波🐇形.進行互相(xiang)關計算的方法(fǎ),有效解決了由(you)環境因素導緻(zhì)相關性降低的(de)問題,然而以上(shang)方法均存在計(ji)算量較大的問(wen)題。
　　針對阈值法(fǎ)與互相關法存(cún)在的問題,本文(wén)提出了基于🤞相(xiàng)似度和互相關(guan)法的精度高時(shi)差測量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該(gai)方法通過回波(bo)相似度評估,實(shi)現特征點的正(zheng)确定位，并結合(hé)傳輸時差法與(yu)互相關法分别(bié)對時差進行粗(cū)、細兩次測量,以(yi)提高其測量精(jing)度。
測量原理
1.1時(shí)差法基本原理(li)
　　時差法超聲流(liu)量計的測量原(yuán)理如圖1所示。超(chao)聲換能器A,B分别(bie)👅安裝在流量計(ji)管道的上下遊(yóu)位置,超聲波從(cong)A傳播到B爲順流(liu)時間♍,超聲波從(cóng)B傳播到A爲逆流(liu)👅時間，流🌂體流量(liang)與順、逆流時間(jiān)差，的關系如式(shì)(1)所示:
 
　　式中:Q是管(guǎn)道中氣體瞬時(shí)流量，D爲管道直(zhí)徑,△t是時差👈,C爲聲(sheng)🔱速🏃,α是信👉号傳播(bo)路徑與管道軸(zhou)線的夾角。由式(shi)❄️(1)可知,時差✔️測量(liang)精度将直接影(yǐng)響氣體超聲流(liú)量計流量計🔞算(suàn)的精度。
 
1.2時差測(ce)量方案
　　時差測(ce)量方法的原理(lǐ)如圖2所示。首先(xian)通過對采集的(de)回波信号與參(can)考信号進行相(xiang)似度計算,獲得(dé)回波特征點。其(qi)次通過特征點(dian)結合采樣頻率(lǜ)得到“粗”時差值(zhi);同時以特征點(dian)作爲起始點來(lái)選取特定的波(bo)形數據,并将選(xuan)取波形進行上(shang)采樣處🈲理，通過(guò)互相關運算得(dé)到“細”時差值,最(zuì)終獲得精度高(gao)時差測量結果(guǒ)。
 
2基于相似度的(de)特征點定位
　　由(yóu)于噪聲幹擾和(hé)測量環境會使(shǐ)回波信号的幅(fú)值發生變化，最(zuì)終導緻回波信(xìn)号起始點定位(wei)錯誤。因此需在(zai)回🏃‍♀️波信号上找(zhǎo)到一個穩定的(de)特征點，如圖3所(suǒ)示。該特征點與(yu)回波㊙️起始點㊙️之(zhī)間時間恒定,通(tōng)過特征點結合(hé)采樣頻✍️率計算(suàn)得到順、逆流的(de)兩個特🐇征飛行(hang)時間🈲Tcharacter,将兩者相(xiang)減可抵消固定(dìng)時延,從而得🏃🏻‍♂️到(dao)傳播時間差值(zhi)。
 
　　目前廣泛使用(yòng)的特征點定位(wei)方法是雙阈值(zhí)法,其原理⛹🏻‍♀️如圖(tu)4所示。第一阈值(zhi)線電壓值約爲(wèi)0.35V,0V幅值線作爲第(di)二阈值用于定(ding)🈲位到👈過零采樣(yang)點,即回波特征(zhēng)👈點。在不☔同流量(liang)或工況下,回波(bō)信号的幅值特(te)性會發生變化(hua)。此時若采用固(gu)定阈值來确定(dìng)🐆回波信号特征(zhēng)點，會造成飛行(háng)時間測量存在(zài)數個周期的誤(wù)差。如圖4所示🌈，當(dang)環境壓力從500kPa變(bian)化爲101kPa時,原本通(tōng)過第一阈值定(ding)位的第三個波(bo)形會錯誤地定(ding)位在第四個波(bō)形，上引起.測量(liàng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼誤差。改進的阈(yù)值🔆法結合不同(tong)的工況來對阈(yù)值進行調整,然(ran)而在複雜的測(cè)量環境下，這些(xie)方法依然存在(zài)一定局限性。
 
　　針(zhen)對以上問題，本(ben)文采用基于相(xiang)似度的回波特(tè)征點定位💚方法(fǎ)👨‍❤️‍👨來獲取特征點(dian)。首先通過0V幅值(zhí)線獲得回波信(xin)号的多🌈個過零(ling)采樣點，以作爲(wèi)“備選”特征點，即(ji)圖5方框内采樣(yàng)點。随☂️後将采集(jí)得到的回波信(xin)号峰值電壓與(yǔ)标準工🌈況下的(de)峰🔞值電壓進行(háng)相似度♈計算,從(cong)而正确定位到(dào)回波特征點。
 
　　回(huí)波信号相似度(dù)評估選擇标準(zhǔn)工況下的參考(kǎo)回波信号🐆I和實(shí)測回波信号J作(zuo)爲相似估計對(duì)象。參考信号第(dì)2,3,4峰值電壓值與(yǔ)實測信号各個(ge)峰值電壓值✊xi,xj爲(wei)特征☂️參數,參㊙️數(shu)數量⛹🏻‍♀️n取3。通過計(jì)算,選取與參考(kǎo)回📱波信号歐氏(shi)距離最小的一(yi)組實測回波信(xin)号峰值,即實際(ji)回波🈲信号的第(dì)2,3,4波峰值,将特征(zheng)點準确定位到(dào)實際回波💰信号(hao)第2波後的過零(ling)點,即圖5中點📞P2。
3精(jīng)度高時差的測(cè)量
3.1粗時差測量(liàng)
　　激勵信号驅動(dòng)超聲換能器發(fa)射聲波後,采樣(yàng)電路開始進行(háng)🌈回📐波信号采集(ji)。超聲波順、逆流(liu)傳播的飛行時(shi)間tui和tdi通過其對(dui)✨應采🌈樣點數n與(yu)采樣間隔T的乘(cheng)積表示,求得粗(cū)時差值,計算如(rú)式(3)所示:
 
　　式中:n1和(hé)n2分别爲順、逆流(liú)下回波信号特(tè)征點對應的采(cǎi)樣🔞點📞數。
3.2細時差(cha)測量
3.2.1波形選取(qu)與上采樣處理(lǐ)
　　針對互相關計(ji)算過程中運算(suàn)量較大的問題(ti),選擇回波信⭐号(hào)特征點後三個(ge)周期的采樣點(dian)作爲待處理數(shù)據以降低⭕運算(suàn)量。具體信号如(rú)圖6虛線方框内(nei)點所示。
 
　　對選取(qu)信号進行上采(cai)樣處理來提高(gāo)采樣率。上采樣(yàng)📱處✍️理包括數據(jù)的插值和低通(tong)濾波兩個步驟(zhou)。首先将采集到(dào)的數據量爲N的(de)原始信号x[n]中每(měi)兩個采樣點之(zhi)間插人L-1個零值(zhí)🈲得到信号xu[n],如式(shì)(4)所示:
 
　　爲了更好(hǎo)地觀察信号處(chù)理前後的頻率(lǜ)特性,通過式(5)、式(shi)♍(6)将信号x[n]、xu[n]轉移到(dao)頻域,如式(7)所示(shi),并得到幅度譜(pu)圖,如💃圖7(a)、圖7(b)所示(shi)。
 
　　對于因子爲L的(de)插零擴展,相較(jiao)于圖7(a),插值後的(de)信号在基帶_上(shàng)有L-1個額外的原(yuán)信号譜鏡像産(chǎn)生。随後通過低(dī)通濾波濾除這(zhe)🌈L-1個鏡像,等同于(yú)将内插樣本值(zhí)📞“填入”到xu[n]中的零(ling)樣本，上，實現原(yuán)采集信㊙️号x[n]的上(shang)采樣處理。
設計(jì)的低通濾波器(qì)的頻域表達爲(wei)式(8):
 
 
　　當C=L時滿足零(líng)初始條件,濾波(bō)器的頻域表達(dá)如式(10)所示:
 
　　采樣(yang)信号x[n]與經過L=20進(jin)行上采樣處理(li)後信号xu[n]的數據(ju)與幅度譜圖如(ru)圖8(a)和圖8(b)所示,結(jie)果表明上采樣(yang)處理後的信号(hao)采樣率增大了(le)20倍,同時處理後(hou)的數據曲線光(guang)滑,證明上🙇🏻采樣(yang)處理符合預期(qi)效果。
 
3.2.2互相關計(jì)算
　　将順、逆流回(hui)波信号的原始(shi)采樣數據進行(hang)上采樣處理得(de)到xu(n)、yu(n)後,通過離散(sàn)互相關運算式(shi)(11)得到互相關函(han)數Rxy(m):
 
　　式中:m=(-N+1,N-1),N爲回波(bō)數據的信号長(zhǎng)度。如圖9所示，互(hu)相關函數Rxy(m)的峰(fēng)值B所⛷️對應的時(shi)間值即爲兩信(xin)号時差。爲了進(jìn)一步提高時差(chà)精度,選取互相(xiàng)關函數Rxy(m)中峰值(zhí)處💃的三個👣最高(gāo)點A、B、C進行曲線拟(nǐ)合以得到更精(jing)确的峰值D(max，ymax)。
通過(guò)式(12)得到xmax對應的(de)細時差值△tcorr，其中(zhong)T爲采樣間隔。
 
4系(xi)統實現
4.1硬件設(shè)計
　　采用MSP430F6638芯片作(zuò)爲核心控制單(dān)元,負責整個測(cè)量過程中時序(xù)🥵和所屬電路的(de)控制。FPGA模塊用以(yi)産生驅動電路(lù)的觸發✊脈沖以(yi)及對采樣數據(jù)進行實時獲取(qu)與存儲,如圖10所(suo)示。包括兩路激(ji)勵電路、切換接(jiē)收電路、回波信(xin)号處理電路(濾(lü)波放大電路、回(hui)波到達電路☀️、峰(feng)值檢測電路)和(he)信号采樣電路(lu)等。激勵電路将(jiang)觸📞發脈沖進行(háng)推挽放大後輸(shu)人㊙️到超聲波換(huan)能器并使其發(fā)射超聲波🤩。回波(bo)信✂️号接收後🔅經(jīng)過回波到達探(tan)測電路産生一(yī)個回波到達信(xìn)号再輸入到單(dān)片💔機。MSP430單片機通(tōng)過内部AD對經過(guo)峰值檢測電路(lu)的回波🈚信号進(jìn)行采集,獲得回(huí)波的最大峰值(zhí)。放大後的回✍️波(bō)信号由FPGA配合高(gāo)速AD以及RAM進行模(mo)數轉換和數據(ju)存儲,采集到的(de)數據通過485通信(xìn)電路傳輸到計(jì)算機進行數據(jù)處理。
 
　　電路采用(yong)的超聲換能器(qi)中心頻率爲200kHz,驅(qu)動信号幅值爲(wei)20V。采樣電路中高(gao)速采集芯片選(xuan)用AD9237-40,采樣頻率設(she)定爲🌈5MHz。
4.2軟件設計(ji)
　　軟件設計包含(han)MSP430程序和MATLAB程序兩(liang)個部分，如圖11所(suǒ)示。
 
　　MSP430程序流程如(rú)下所述。系統初(chū)上電後,MSP430F6638将對I0口(kou)、定時器及FPGA模塊(kuai)等各.個參數進(jìn)行初始化并進(jin)人低功耗模式(shì)。定時器達到0.5s時(shí),微處理器控制(zhì)FPGA芯片産生激勵(li)信号輸人✊到指(zhi)定的發射換能(neng)器中。當單片機(ji)接收到回波到(dao)達信号後，,微控(kong)制器使能FPGA對處(chù)理後的回波信(xìn)号進行采樣并(bìng)存儲在📱FPGA的RAM中,同(tóng)時開啓單片機(jī)内❗部AD對回波最(zuì)大峰值電壓進(jin)行💃采集。随後，通(tōng)過上位機通訊(xun)将采集到的回(huí)波🔅數據傳輸到(dao)MATLAB程序。MATLAB程序首先(xiān)根據回波相似(si)度計算定位到(dào)回波信号的特(te)征點，其次以特(te)征點爲基礎結(jie)合采樣頻率和(he)互相關法得到(dào)精度高的飛行(hang)時間差以及實(shí)時聲速值，利用(yong)時差法計💔算式(shì)(1)得到瞬時流量(liang)值。
5實驗驗證
　　爲(wei)評估方法法的(de)有效性，采用壓(yā)力實驗驗證時(shí)間差測量的😍穩(wěn)定性,進而通過(guo)流量實驗驗證(zheng)整體算法的精(jing)度。
5.1壓力實驗研(yán)究
　　裝置如圖12所(suo)示,包括氮氣鋼(gang)瓶和密封管路(lu)裝置等。選擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及(ji)500kPa五⛷️個壓力點進(jin)行相關的壓力(li)。
 
　　采用本文的信(xin)号處理方法和(he)基于TDC-GP22測量模塊(kuài)的傳統🌏雙阈值(zhi)🙇‍♀️法時差測量方(fāng)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對比。由(yóu)于在測量🏃🏻‍♂️過程(chéng)中時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼差值難以(yǐ)直觀表示,而聲(shēng)速測量與時差(chà)測量均以飛行(hang)時間爲基礎,因(yīn)此在各個壓力(lì)下比較兩種方(fang)法測量得📱到的(de)聲速值與理論(lùn)聲速值來間接(jie)驗證測量的穩(wěn)定性，結果如表(biǎo)1所🤞示。
 
　　由表1可知(zhī),使用基于回波(bo)相似度進行特(te)征點定位的方(fang)法測得⭐的5個壓(ya)力試驗點下聲(sheng)速值均與理論(lun)聲速吻合⭕,最大(da)誤差僅爲-0.13m/s。而傳(chuán)統雙阈值法計(ji)算得💁到的聲速(su)在101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下與理論(lun)聲速吻合，但在(zài)405.2kPa壓力下與理論(lùn)聲速産生明顯(xian)偏差,與此☔同時(shi)壓力越大,偏差(cha)數值越大。而在(zài)509.5kPa下,聲速測量值(zhi)與理論聲速差(cha)值高達7.89m/s。實驗結(jie)果🐪證明基于回(huí)波相似度的特(tè)征點定位🏃‍♀️信号(hào)處理方法能♌在(zài)不同壓力下實(shí)現飛行時間差(chà)測量的正确率(lǜ)。
5.2流量實驗研究(jiū)
　　選用圖13所示精(jīng)度等級爲0.25級的(de)LQB-1000臨界流文丘裏(li)音速⚽噴嘴校準(zhǔn)🔱裝置,采用管徑(jing)爲50mm的氣體超聲(shēng)流量測量系統(tong)樣機，流量⭐範圍(wéi)爲2m'/h~160m'/h。根據超聲流(liú)量計檢定規程(cheng)《JJG1030-2007超聲流量計》,選(xuǎn)擇分界流量點(diǎn)爲16m2/h。各個流量檢(jiǎn)定點爲Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每個(gè)流量點測🍉量90s。将(jiang)測量💰得到的流(liu)量值和标準裝(zhuang)置的平均流量(liàng)值進行比較,計(jì)算誤差并進行(háng)🌐三次實驗來得(de)到重複性。基于(yú)TDM-SC與TDM-DT兩種方法的(de)測量結果如表(biǎo)2所示。
 
　　表2數據表(biao)明，基于TDM-SC的氣體(tǐ)超聲流量測量(liàng)系統測量誤👄差(chà)小♋于1%,重複性優(yōu)于0.2%,符合一級表(biǎo)的要求。同時在(zai)大流量下🐪,方法(fa)依然能保持低(dī)于1%的測量誤差(cha)和良🛀好的重複(fu)性。
 
6結論
　　提出了(le)基于精度高時(shi)差的氣體超聲(shēng)流量測量方法(fa),該☂️方法通過回(hui)波相似度評估(gū)對回波特征點(dian)進行準确定位(wei),在特征點基礎(chu)上結合傳輸時(shi)間法與互相關(guan)法對時差進行(háng)粗、細兩次測量(liang)以得到準确的(de)時差值，最終實(shi)現精度高的流(liú)量測量。　結果表(biǎo)明,該方法在100kPa至(zhì)500kPa的壓力下能對(duì)時差進行準确(que)測量。系統樣機(jī)的流量測量精(jīng)度滿足🈲1級精度(dù)的要求,并在大(da)流量下測量誤(wu)🐅差和重複性優(yōu)于傳統雙阈值(zhi)法。

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