摘要:針對氣(qi)體超聲流量(liang)計 在測量中(zhong)存在回波信(xin)号衰減大、波(bō)形易受工況(kuàng)影響的👉問題(tí),提出了一種(zhǒng)基于精度高(gao)時差的氣體(tǐ)超聲流量測(cè)量方法。該✏️方(fāng)法首先通過(guo)相似度評估(gū)回波信号,對(dui)回波🚶‍♀️信号特(tè)征點進行準(zhun)确🚶‍♀️定位,進而(er)獲取飛行時(shi)間差的粗測(cè)量值,其次選(xuan)取特🌍定回波(bō)波形進行互(hu)相關法計算(suan)獲得時差的(de)細測量值,最(zui)後對兩次測(cè)量結果相加(jia)得到精度高(gāo)時差,從而實(shí)現精度高的(de)流量測量。不(bú)同壓力下的(de)聲速測量實(shí)驗表🔞明該方(fāng)法在100kPa至500kPa範圍(wei)内可準确測(ce)量飛🧑🏽‍🤝‍🧑🏻行時間(jian)和時差。氣體(tǐ)🌈流量計樣機(ji)的流量測量(liang)誤差小于1%,重(zhong)複性優于0.2%,并(bing)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(jì)以結構簡單(dan)、壓損低、精度(du)高、量程寬及(jí)易☎️于維護等(deng)優點，成爲天(tian)然氣貿易中(zhōng)的重要流量(liang)儀表。目前氣(qi)體超聲流量(liàng)計測量方法(fa)多采用時差(chà)法，該方法通(tong)過超聲波在(zai)管道内順、逆(nì)流傳播的飛(fēi)行時間及聲(sheng)速來計算流(liu)量。飛行時間(jiān)測量常采用(yong)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(yù)值法與互相(xiàng)關法的理論(lùn)成熟,被廣泛(fan)應用于氣體(tǐ)超聲流量測(ce)量中。阈值🏃‍♂️法(fǎ)通過定位回(huí)波🛀🏻信号的特(te)征點來測量(liang)飛行時間,然(rán)而測量工況(kuàng)的變化會使(shǐ)特征點定位(wei)錯誤,導緻測(ce)量結果誤差(chà)偏大。對♍此基(jī)于回波信🚩号(hao)峰值的🏃比例(li)阈值法,該方(fang)法通過回波(bo)峰值調整阈(yù)值來定💰位特(te)征點以求得(de)時差。基于分(fen)段流速的可(ke)變阈值法,通(tōng)過在不同流(liu)速下設置不(bú)同阈值對特(te)征點進行定(dìng)位，進而求✏️得(dé)時差。基于回(hui)波極值點的(de)幅值對😘阈值(zhi)進行調節的(de)自适應阈值(zhi)法,該方法使(shǐ)用當前工況(kuàng)下的回🔞波極(ji)值點對阈值(zhi)進行修正,進(jìn)而準确定位(wèi)特征點位置(zhi)并得到時差(chà)。上述方法均(jun1)❄️根據不👉同的(de)工況對阈值(zhí)進行調整,以(yi)提高時差測(cè)量精度,但面(miàn)對複雜的測(cè)量環境仍存(cun)在局限性。互(hu)相關法📞通過(guò)将順、逆流回(hui)波信号進行(hang)互相關計算(suàn)以得到🔴時差(chà)值,可以解決(jué)由于波形變(bian)化引起的特(tè)🌐征點定位錯(cuo)誤問題。通過(guò)選取各換能(neng)器靜态下的(de)回波信号均(jun1)值作爲互相(xiang)關計算的參(cān)考信号以提(ti)高測量🏒結果(guǒ)的抗幹擾能(neng)力。提出了使(shǐ)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(wèn)題。
　　針對阈值(zhi)法與互相關(guān)法存在的問(wen)題,本文提出(chu)了基于相似(si)度和互相關(guān)法的精度高(gao)時差測量方(fāng)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該方法通(tong)💞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(cha)法與互相關(guān)法分别對時(shí)差進行粗、細(xi)兩次測量,以(yi)提高其測量(liang)精度。
測量原(yuán)理
1.1時差法基(ji)本原理
　　時差(chà)法超聲流量(liang)計的測量原(yuán)理如圖1所示(shi)。超聲換能🔆器(qì)A,B分别安裝在(zài)流量計管道(dao)的上下遊位(wèi)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(dào)A爲逆流時間(jiān)，流體流量與(yu)順、逆流時間(jian)💁差，的關系如(ru)式(1)所示💋:
 
　　式中(zhōng):Q是管道中氣(qi)體瞬時流量(liang)，D爲管道直徑(jing),△t是時差❗,C爲聲(shēng)速,α是信号傳(chuán)播路徑與管(guan)道軸線的夾(jiá)角。由式(1)可知(zhi),時差測量精(jing)度将直接影(ying)響氣體超聲(sheng)流量計🌏流量(liang)計算的精度(du)。
 
1.2時差測量方(fang)案
　　時差測量(liàng)方法的原理(li)如圖2所示。首(shou)先通過對采(cǎi)集的回波信(xin)号與參考信(xin)号進行相似(si)度計算,獲得(de)回波特征點(dian)。其次🚩通過特(tè)征點結合采(cǎi)樣頻率得到(dao)“粗🏃‍♂️”時差值;同(tong)時以特征點(diǎn)作爲起始點(dian)來🐇選取特定(ding)的波形數據(ju),并将選取波(bo)形進行上采(cǎi)樣處理，通過(guo)互🌐相關運算(suan)得到“細”時差(chà)值,最終獲得(dé)精度高時差(cha)測量結果。
 
2基(ji)于相似度的(de)特征點定位(wei)
　　由于噪聲幹(gan)擾和測量環(huan)境會使回波(bo)信号的幅值(zhi)發生⭕變化，最(zuì)🌈終導緻回波(bō)信号起始點(dian)定位錯誤。因(yīn)此需在回波(bo)信号上找到(dao)💞一個穩定的(de)特征點，如圖(tu)3所示。該特征(zhēng)點與回波起(qǐ)始點之間時(shí)間恒定,通過(guo)特征點結合(he)采樣頻率計(jì)算得到順、逆(nì)流的兩個特(tè)征飛行時間(jiān)🐅Tcharacter,将兩者相減(jiǎn)⭐可抵消固定(ding)時延,從而得(de)⛱️到傳播時間(jian)⛷️差值。
 
　　目前廣(guǎng)泛使用的特(tè)征點定位方(fang)法是雙阈值(zhí)法,其原理如(ru)👉圖🔞4所示。第一(yi)阈值線電壓(yā)值約爲0.35V,0V幅值(zhí)線作爲第二(èr)阈值用于定(dìng)位到🌈過零采(cai)樣點,即回波(bō)特征點。在不(bu)同流量或工(gong)況下,回波信(xìn)号的幅值特(te)性會發生變(bian)化。此時若采(cai)用固定阈值(zhi)來确定回波(bo)信号特征點(dian)，會造成飛行(hang)時間測量存(cún)在數個周期(qī)的誤💃差。如圖(tu)4所示，當💰環境(jing)壓力從500kPa變化(huà)爲101kPa時,原本通(tong)過第☁️一阈值(zhi)定位的第三(sān)個波形會錯(cuò)誤❄️地定位在(zai)第四個💰波形(xing)，上引起.測量(liang)誤差。改進的(de)阈值法☁️結合(he)不同的工況(kuàng)來🔅對阈值進(jin)行調整,然而(ér)在複雜的測(ce)量環境下，這(zhe)些方法依☔然(rán)存在一定局(jú)限性。
 
　　針對以(yǐ)上問題，本文(wén)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(xiān)通過0V幅值線(xian)獲得回波信(xìn)号的多個過(guo)👅零采樣點，以(yi)作爲“備選”特(te)征點，即圖5方(fang)框内采樣點(diǎn)。随🌐後将采集(ji)得到的回波(bo)信号峰值電(dian)壓🍉與标準工(gōng)況下的峰值(zhí)電壓進行相(xiang)似度😘計算,從(cong)而正确定位(wei)到回波特征(zhēng)點。
 
　　回波信号(hao)相似度評估(gū)選擇标準工(gōng)況下的參考(kao)回波🌈信号I和(hé)實📐測回波信(xìn)号J作爲相似(si)估計對象。參(can)考信号第2,3,4峰(feng)值電壓值✂️與(yu)實測信号各(gè)個峰值電壓(yā)值xi,xj爲特征參(can)數,參數數量(liang)n取3。通過計算(suàn),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(huí)波信号的第(di)2,3,4波峰值,将特(te)征點準确定(dìng)位👅到實際回(huí)波信号第2波(bo)後的過👉零點(dian),即圖5中點P2。
3精(jing)度高時差的(de)測量
3.1粗時差(cha)測量
　　激勵信(xìn)号驅動超聲(shēng)換能器發射(shè)聲波後,采樣(yàng)電路開始進(jìn)行回波信号(hào)采集。超聲波(bō)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(shu)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(hé)n2分别爲順、逆(nì)流下回波信(xìn)号特征點對(dui)應的采📱樣點(dian)數。
3.2細時差測(cè)量
3.2.1波形選取(qǔ)與上采樣處(chù)理
　　針對互相(xiàng)關計算過程(chéng)中運算量較(jiào)大的問題,選(xuan)擇回波信号(hao)特征點後三(san)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(rú)圖6虛線方框(kuang)内點所示。
 
　　對(duì)選取信号進(jìn)行上采樣處(chu)理來提高采(cǎi)樣率。上采樣(yàng)🤩處🔱理包💛括數(shu)據的插值和(hé)低通濾波兩(liǎng)個步驟。首先(xiān)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(yàng)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(hǎo)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(xin)号x[n]、xu[n]轉移到頻(pin)域,如式(7)所示(shì),并得到幅度(dù)譜圖,如圖7(a)、圖(tu)7(b)所示♍。
 
　　對于因(yīn)子爲L的插零(ling)擴展,相較于(yú)圖7(a),插值後的(de)信号在基🈲帶(dài)_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(zhè)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(shè)計的低通濾(lǜ)波器的頻域(yu)表達爲式(8):
 
 
　　當(dāng)C=L時滿足零初(chu)始條件,濾波(bō)器的頻域表(biao)達如式(10)所🔴示(shi):
 
　　采樣信号x[n]與(yu)經過L=20進行上(shàng)采樣處理後(hou)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(li)後的信号采(cǎi)樣率增🏃🏻‍♂️大了(le)20倍,同時處理(lǐ)後的數據曲(qu)線光滑,證明(ming)上采樣處理(lǐ)符合預期效(xiao)果。
 
3.2.2互相關計(ji)算
　　将順、逆流(liú)回波信号的(de)原始采樣數(shù)據進行上采(cǎi)樣處👄理得到(dao)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(du)。如圖9所示，互(hù)相關函數Rxy(m)的(de)峰值B所對應(ying)的時間值即(jí)爲兩信号時(shi)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(zhong)峰值處👨‍❤️‍👨的三(sān)個最高點A、B、C進(jìn)行曲線拟合(he)以得到更精(jing)确的峰值D(max，ymax)。
通(tong)過式(12)得到xmax對(dui)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(pian)作爲核心控(kòng)制單元,負責(zé)整個測量過(guo)程中時序⛹🏻‍♀️和(he)所屬電路的(de)控制。FPGA模塊用(yong)以産生驅動(dòng)電路的💘觸發(fa)脈沖以及對(duì)采✨樣數據進(jin)行實時獲取(qǔ)與存儲,如圖(tú)10所示。包括兩(liang)路激勵電路(lu)、切換接收電(dian)路、回波信号(hao)💁處理電路🈲(濾(lü)波放大電路(lù)、回波到達電(dian)路🔞、峰值檢測(cè)電路)和信号(hao)采🔞樣電路等(deng)。激勵電路将(jiāng)觸發脈沖進(jin)行✏️推💞挽放大(da)後輸人到超(chao)聲波換能器(qi)并使其發射(she)☁️超聲波。回波(bō)信🌈号接收後(hou)經過回波到(dao)達探🍉測電路(lù)産生一個🍓回(hui)波到達信号(hao)再❄️輸入到單(dan)片機。MSP430單片機(ji)通過内部AD對(dui)💘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(shu)轉換和數據(ju)存儲,采集到(dao)的數據通過(guo)485通信電路傳(chuan)輸到計算機(ji)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(su)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(shè)計包含MSP430程序(xù)和MATLAB程序兩個(ge)部分，如圖11所(suo)示。
 
　　MSP430程序流程(cheng)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(jin)行初始化并(bìng)進人低功耗(hao)模式。定時器(qi)達到0.5s時,微處(chù)理器控制FPGA芯(xīn)片産生激勵(lì)信号輸人🔞到(dào)指定的發射(she)換能器中。當(dāng)單片機接收(shou)到回波到達(da)信号後，,微🥰控(kòng)制器使能FPGA對(dui)處理後的回(hui)波信号進行(háng)采樣并存儲(chǔ)在FPGA的RAM中,同時(shi)開啓單片機(jī)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(jiāng)📐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(huí)波相似度💚計(ji)算定位到回(huí)波信号的特(te)征點，其次以(yi)特征點爲基(jī)礎結合采樣(yang)頻率和互相(xiang)關法得到精(jing)度高的飛行(hang)時💛間差以及(jí)實時聲速值(zhí)，利🚩用時差法(fǎ)計算式(1)得到(dao)瞬時流量值(zhi)。
5實驗驗證
　　爲(wèi)評估方法法(fa)的有效性，采(cǎi)用壓力實驗(yàn)驗證時間差(cha)測量的穩☔定(dìng)性,進而通過(guo)流量實驗驗(yàn)證整體算法(fǎ)的精度。
5.1壓力(lì)實驗研究
　　裝(zhuang)置如圖12所示(shì),包括氮氣鋼(gāng)瓶和密封管(guan)路裝置等。選(xuǎn)擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及🌈500kPa五個壓(yā)力點進行相(xiàng)關的壓力。
 
　　采(cai)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(tǒng)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(guo)程中時☔差值(zhi)難以✨直觀㊙️表(biao)示,而聲速測(cè)量與時差測(ce)量均以飛行(háng)時間爲基礎(chu),因此在各個(ge)壓力下比較(jiào)兩種方法測(cè)量得到的聲(sheng)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(shi)。
 
　　由表1可知,使(shi)用基于回波(bo)相似度進行(hang)特征點定位(wei)的方法測得(dé)的5個壓力試(shì)驗點下聲速(sù)值均與理論(lun)聲速吻合,最(zuì)大🐇誤差僅爲(wèi)-0.13m/s。而傳統雙阈(yù)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(ya)力越大,偏差(cha)數值越大。而(ér)在509.5kPa下,聲速測(cè)量值與理論(lùn)聲速差值高(gāo)達7.89m/s。實驗結果(guo)證明基于回(hui)波相似度的(de)特征點定位(wèi)信号處理方(fang)法能在不同(tóng)壓力下實現(xiàn)飛行時間差(chà)測量的正确(què)率。
5.2流量實驗(yan)研究
　　選用圖(tu)13所示精度等(děng)級爲0.25級的LQB-1000臨(lin)界流文丘裏(lǐ)音速噴嘴校(xiào)準裝置,采用(yòng)管徑爲50mm的氣(qi)體超聲流量(liang)測量系統樣(yàng)機，流量範圍(wéi)爲2m'/h~160m'/h。根據超聲(shēng)流量計檢定(dìng)規程《JJG1030-2007超聲流(liú)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(měi)個流量點測(ce)量90s。将測量🔞得(de)到的流量值(zhí)和标準裝置(zhi)的平均流量(liàng)值進行比較(jiao),計算誤差并(bìng)進行📞三次實(shí)驗來得到重(zhong)複性。基于TDM-SC與(yu)TDM-DT兩種方法的(de)測量結果如(ru)表2所示。
 
　　表2數(shu)據表明，基于(yu)TDM-SC的氣體超聲(shēng)流量測量系(xi)統測量誤差(cha)小于1%,重複性(xìng)優于0.2%,符合一(yī)級表的要求(qiú)。同時在大流(liu)💁量下,方法依(yī)然能保持低(dī)于1%的測量誤(wu)差和良🧑🏽‍🤝‍🧑🏻好的(de)重複性。
 
6結論(lùn)
　　提出了基于(yú)精度高時差(cha)的氣體超聲(sheng)流量測量方(fāng)法,該方☁️法通(tōng)過回波相似(si)度評估對回(huí)波特征點進(jìn)行準确定位(wèi),在❤️特征點基(jī)礎上結合傳(chuan)輸時間法與(yǔ)互相關法對(duì)時差進行🌈粗(cū)、細兩次測量(liàng)🐇以得到準确(què)的時差值，最(zuì)終實現精度(dù)高的流量測(ce)量。　結果表明(ming),該方法在100kPa至(zhi)500kPa的壓力下能(neng)對時差進行(háng)準确測量。系(xi)統樣機的流(liu)量測量精度(dù)滿足1級精度(du)的要求,并在(zai)♉大流量下測(ce)量誤差和重(zhòng)複性優于傳(chuan)統雙阈值法(fa)☂️。

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