摘要:針對(dui)氣體超聲流量(liang)計 在測量中存(cun)在回波信号衰(shuai)減大、波形易受(shòu)工況影🛀響的問(wen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻題,提出了一種(zhǒng)基于精度高時(shi)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(gū)回✍️波信号,對回(huí)波信号特征點(diǎn)進行準确定位(wei),進而獲取飛行(hang)時間差的粗測(ce)量值,其次選取(qu)特定回波波形(xing)進行互相關法(fǎ)計算獲得時差(cha)的細測量值,最(zuì)後🔴對兩次測量(liàng)結果相加得到(dao)精度高時差,從(cong)而實現精度高(gāo)的流量測量。不(bu)同壓力下的聲(shēng)速測量實驗表(biǎo)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(xia)與傳統阈值法(fa)相比具有更🌈高(gāo)的正确率🏃🏻‍♂️和更(geng)優的重🐪複性。
　　氣(qi)體超聲流量計(ji)以結構簡單、壓(yā)損低、精度高、量(liang)程寬及易于🌈維(wéi)🏒護等優點，成爲(wei)天然氣貿易中(zhong)的重要⚽流量儀(yi)表。目前🏒氣體超(chao)聲流量計測量(liàng)方法多采用時(shí)差法，該方法通(tōng)過超聲波在管(guan)道内順、逆流傳(chuán)播的飛行時間(jiān)及聲速來計算(suàn)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(fa),其中曲線拟合(hé)法計算過程比(bi)較複雜,而阈值(zhi)法與互相關💋法(fǎ)的理論成熟,被(bèi)廣泛應用于氣(qì)體超聲流量測(cè)量中。阈值法通(tong)過定位回波信(xìn)号的特征點來(lái)測📱量飛行時間(jian),然而測🐪量工況(kuang)的變💔化會使💛特(tè)征點定位錯誤(wu),導🌏緻測量結果(guo)誤差偏大。對此(ci)基于回波信号(hao)峰值的比例阈(yù)值法✨,該方法通(tōng)過🧡回波峰值調(diao)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(yu)值法,通過在不(bu)同流速下設置(zhì)不同阈值🏃‍♀️對特(te)征點進⚽行定位(wei)，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(fa),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(fang)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(jīng)度,但面對複雜(zá)的測量環境仍(reng)存在局限性。互(hù)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(shi)差值,可以解決(jué)由于波形變化(hua)引起的特征點(diǎn)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(zhí)作爲互相關計(jì)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(yòng)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(yóu)環境因素導緻(zhi)相關性降低✂️的(de)問題,然而以上(shàng)方法均存在計(ji)算量較大的問(wèn)題。
　　針對阈值法(fa)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(gāi)方法通過回波(bō)相似度評估,實(shí)現特征點的正(zheng)确定位，并結合(hé)傳輸時差法與(yǔ)互相關法分别(bie)對時差進行粗(cū)、細兩次測量,以(yǐ)提高其測量精(jīng)度。
測量原理
1.1時(shi)差法基本原理(li)
　　時差法超聲流(liú)量計的測量原(yuan)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(cóng)A傳播🐪到B爲順流(liú)時間,超聲波從(cong)B傳播到A爲逆流(liu)時間，流體流量(liàng)與順、逆流時間(jiān)差，的關系如式(shi)(1)所示:
 
　　式中:Q是管(guan)道中氣體瞬時(shi)流量，D爲管道直(zhí)徑,△t是時差,C爲聲(sheng)速,α是信号傳播(bō)路徑與管道軸(zhóu)線的夾角。由式(shi)(1)可知,時差💋測量(liàng)精度将直接影(yǐng)響氣體超聲流(liu)量計流量計算(suan)的精度。
 
1.2時差測(ce)量方案
　　時差測(cè)量方法的原理(li)如圖2所示。首先(xiān)通過對采集的(de)回👌波信号與參(cān)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(lü)得到“粗”時差值(zhi);同時以特征點(dian)作爲起🌈始點來(lai)選取特定的波(bo)形數據,并将選(xuan)取波形進行上(shàng)采樣處理，通過(guo)互✌️相關運算得(de)到“細”時差值,最(zuì)終獲得精度高(gāo)時差測量結果(guo)。
 
2基于相似度的(de)特征點定位
　　由(you)于噪聲幹擾和(he)測量環境會使(shǐ)回波信号的幅(fu)值發生變化，最(zuì)終導緻回波信(xin)号起始點定位(wèi)錯誤。因此需在(zài)回波信号上找(zhao)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(he)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(ding)時延,從而得到(dào)傳播時間差值(zhi)。
 
　　目前廣泛使用(yong)的特征點定位(wei)方法是雙阈值(zhi)法,其原理如圖(tu)4所🌈示。第一阈值(zhí)線電壓值約爲(wei)0.35V,0V幅值線作爲第(di)二阈💜值用于定(dìng)❄️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(tè)性會💋發生變化(huà)。此時若采用固(gu)定阈值來确定(ding)回波信号特征(zhēng)點，會造成飛行(háng)時間測量存在(zai)數☔個周期的誤(wù)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼差。如圖4所示，當(dāng)環境壓力從500kPa變(bian)化爲101kPa時,原本通(tōng)過第一阈值定(dìng)💔位的第三個波(bō)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(tóng)的工況來對阈(yu)值進行調整,然(rán)而在複雜的測(cè)量環境下，這些(xiē)方法依🈲然存在(zai)一定局限性。
 
　　針(zhēn)對以上問題，本(běn)文采用基于相(xiàng)似度的回波特(te)征點定♈位方法(fa)來獲取特征點(diǎn)。首先通過0V幅值(zhí)線獲得回波信(xìn)号的多個過♻️零(líng)采樣點，以作爲(wei)“備選”特征點㊙️，即(jí)圖5方框内采樣(yàng)點。随後将采集(jí)得到的回波信(xìn)号峰值電壓🥵與(yu)标準工況下的(de)峰值電壓進行(háng)相似度計算,從(cóng)而正确定位到(dao)回波特征點。
 
　　回(hui)波信号相似度(du)評估選擇标準(zhun)工況下的參考(kǎo)回波信号I和實(shí)測回波信号J作(zuò)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(shù)數量n取3。通過計(jì)算,選取與參考(kao)回波信号歐氏(shi)距離最小的一(yī)組實測回波信(xìn)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(dao)實際回波信号(hao)第2波後的過零(ling)點,即圖5中點P2。
3精(jing)度高時差的測(ce)量
3.1粗時差測量(liang)
　　激勵信号驅動(dòng)超聲換能器發(fā)射聲波後,采樣(yang)電路開始進行(hang)回波信号采集(jí)。超聲波順、逆流(liú)傳播的飛行時(shi)間tui和tdi通過其對(duì)應采🧑🏾‍🤝‍🧑🏼樣點數n與(yu)采樣間隔T的乘(chéng)積表示,求得粗(cu)時差值,計算如(ru)式(3)所示:
 
　　式中:n1和(he)n2分别爲順、逆流(liu)下回波信号特(te)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(jì)算過程中運算(suàn)量較大的問題(ti),選擇🍓回波信号(hao)特征點後三個(ge)周期的采樣點(dian)作爲待處理數(shu)據以降低㊙️運算(suan)量。具🐕體信号如(ru)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(ju)的插值和低通(tōng)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(zhi)得到信号xu[n],如式(shi)㊙️(4)所示:
 
　　爲了更好(hǎo)地觀察信号處(chù)理前後的頻率(lü)特性,通過😘式(5)、式(shi)☔(6)将信☀️号x[n]、xu[n]轉移到(dào)頻域,如式(7)所示(shi),并得到幅度譜(pǔ)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(jiào)于圖7(a),插值後的(de)信号在基帶_上(shang)有✏️L-1個額外的原(yuan)信号譜鏡像産(chan)生。随後通⁉️過低(di)通濾波濾除這(zhe)L-1個鏡像,等同于(yu)将内插樣本值(zhí)“填入”到💋xu[n]中的零(ling)🙇‍♀️樣本，上，實現原(yuan)采集信号x[n]的上(shang)采樣處理。
設計(ji)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(da)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(lǐ)後信号xu[n]的數據(jù)與幅度譜☁️圖如(ru)圖8(a)和圖8(b)所示,結(jié)果表明上采樣(yàng)處理後的信号(hào)采樣率增大了(le)20倍,同時處理後(hòu)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(huí)波信号的原始(shǐ)采樣數據進行(háng)上采樣🔴處🈲理得(dé)到xu(n)、yu(n)後,通過離散(sàn)互相關運算式(shì)(11)得到互相關函(hán)數💘Rxy(m):
 
　　式中:m=(-N+1,N-1),N爲回波(bo)數據的信号長(zhang)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(xìn)号時差。爲了進(jin)一步提🚶高時差(chà)精💃🏻度,選取互相(xiang)關函數Rxy(m)中峰值(zhí)處的三個最高(gao)點A、B、C進行曲線拟(nǐ)合以得到更精(jīng)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(zhōng)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(zuo)爲核心控制單(dan)元,負責整個測(ce)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(ju)進行實時獲取(qǔ)與存儲,如圖10所(suǒ)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(huí)波到達電路、峰(feng)值檢測電路)和(hé)信号采樣電路(lù)等。激勵電路将(jiāng)觸‼️發脈沖進行(háng)推挽放大後輸(shu)人到超聲波換(huàn)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(tàn)測電路産生一(yi)個回波到達信(xìn)号再輸🥰入到單(dan)片機。MSP430單片機通(tōng)過内部AD對經過(guò)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(zhi)。放大後的回波(bo)信号由FPGA配合高(gāo)速AD以及✌️RAM進🌍行模(mo)數轉換和數據(jù)存儲,采集到的(de)數據通過485通信(xin)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(qū)動信号幅🐉值🌈爲(wèi)20V。采🐇樣電路中高(gāo)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(hán)MSP430程序和MATLAB程序兩(liǎng)個部分，如圖11所(suǒ)示。
 
　　MSP430程序流程如(ru)下所述。系統初(chu)上電後,MSP430F6638将對I0口(kǒu)、定時器及FPGA模塊(kuai)等各.個參數進(jin)行初始化并進(jin)人低功耗模式(shi)。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(néng)器中。當單片機(ji)接收到👈回波到(dao)達🌍信号後，,微🆚控(kòng)制器使👄能FPGA對處(chù)理後的回波💁信(xìn)号進行采樣并(bing)存儲在FPGA的RAM中,同(tong)時開啓單片機(jī)内🚩部AD對回波最(zui)大峰值電壓進(jìn)行采集。随後，通(tōng)過上位機通訊(xùn)将采集到的回(hui)波數據傳輸☔到(dao)MATLAB程序。MATLAB程序首先(xiān)根據回波相似(sì)度計算定位到(dao)回波信号的特(te)征點，其次以特(tè)征點爲基礎結(jié)合采樣頻率和(he)互相關🔅法得到(dao)精度高的飛行(háng)時🐪間差以及實(shi)時💃聲速值，利用(yòng)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(shi)間差測🐕量的穩(wen)定性,進而通過(guò)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(suǒ)示,包括氮氣鋼(gāng)瓶和密封管路(lu)裝置等🤩。選擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及(jí)500kPa五個💃🏻壓力點進(jin)行相關的壓力(lì)。
 
　　采用本文的信(xìn)号處理方法和(hé)基于TDC-GP22測量模塊(kuai)的傳統雙阈值(zhí)法時差測量方(fang)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對比。由(you)于在測量過程(cheng)中時📐差值🐪難以(yi)直觀表示,而聲(shēng)速測量與時差(chà)測量均以飛行(háng)時間爲基礎,因(yīn)此在各個壓力(lì)下比🥰較兩種方(fāng)😄法測量得到的(de)聲速㊙️值與理論(lùn)聲速值來間接(jiē)驗證測量的穩(wen)定性，結果如表(biǎo)1所示。
 
　　由表1可知(zhi),使用基于回波(bō)相似度進行特(tè)征點定位的方(fāng)法測得的5個壓(ya)力試驗點下聲(shēng)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(jì)算得到的聲速(su)在101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下與理論(lùn)聲速吻合，但在(zai)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(chà)值高達7.89m/s。實驗結(jie)果證明基于回(hui)波相似度的特(tè)征點定位信号(hao)處理方法能🔱在(zai)不同壓力下實(shí)現飛行時間差(cha)測量的正确率(lü)。
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(jìng)爲50mm的氣體超聲(sheng)流量測量系統(tǒng)樣機🌈，流量範圍(wei)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(dian)爲16m2/h。各個流量檢(jiǎn)定點☎️爲Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每個(ge)流量點測量90s。将(jiāng)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(yu)👈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(biǎo)明，基于TDM-SC的氣體(ti)超聲流量測量(liang)系統測量👈誤差(cha)♈小于1%,重複性優(yōu)于0.2%,符合一級表(biao)的要求。同時在(zai)大流🥰量下,方法(fa)依然能保✍️持低(di)于1%的測量誤差(cha)和良好的重複(fú)性。
 
6結論
　　提出了(le)基于精度高時(shi)差的氣體超聲(sheng)流量測量方法(fǎ),該方法通過回(hui)波相似度評估(gū)對回波特征點(diǎn)進行準确定位(wèi),在特征點基礎(chǔ)上結合傳輸時(shí)間法與互相關(guān)法對時❤️差進行(hang)粗、細兩次測量(liang)以得到準确☔的(de)時差值✂️，最終實(shí)現精度高的流(liú)量測量。　結果表(biao)明🌐,該方法在100kPa至(zhi)500kPa的壓力下能♍對(dui)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(dà)流量下測量誤(wù)差和重複性優(yōu)于傳統雙阈值(zhi)法。

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