摘要:針對氣(qì)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(zhǒng)基于精度高(gāo)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(gu)回波信号,對(dui)回波信号特(tè)征點進行準(zhǔn)确定位,進而(ér)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(hù)相關法計算(suàn)獲得時差的(de)細測量值,最(zuì)後🚩對兩次測(cè)量結果相加(jiā)得到精度高(gao)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(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(tǐ)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(zhi)法相比具有(you)更㊙️高的正确(que)率和更優的(de)重🌈複性。
　　氣體(ti)超聲流量計(jì)以結構簡單(dān)、壓損低、精度(du)高、量程寬及(ji)易于維護等(děng)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(cha)法，該方法🔴通(tōng)過超聲波在(zai)❤️管道内順、逆(ni)流傳播⁉️的飛(fei)行時👄間及聲(sheng)速來計算流(liú)🆚量。飛行時間(jian)測量常🔆采用(yòng)曲線拟👨‍❤️‍👨合法(fǎ)、互相關法和(hé)阈值法,其中(zhong)曲線拟☀️合法(fa)計算過⁉️程比(bǐ)較複雜,而阈(yu)值法與互相(xiang)關法的理論(lùn)成熟,被廣泛(fan)應用于氣體(ti)超聲流量測(cè)量中。阈♊值✂️法(fǎ)通過定位回(hui)波信号的特(tè)征點來測量(liang)飛行時間,然(ran)而測✌️量工況(kuàng)的變♍化會使(shi)特征點定位(wèi)錯誤,導緻測(cè)量結果誤差(chà)偏大。對此基(ji)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(te)征點以求得(de)時差。基于分(fen)🈲段流速的可(ke)變阈值法,通(tong)過在不同流(liú)速下設置不(bu)同阈值對特(tè)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(zhi)法,該方法使(shǐ)用當前工況(kuàng)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(zhí)進行調整,以(yǐ)提高🛀時差測(cè)量📱精度,但面(miàn)對複雜的測(ce)量環境仍☀️存(cun)在局限性。互(hu)相關法通過(guò)将順、逆流回(huí)波❌信号進行(háng)互相❌關計算(suàn)以得到時差(cha)值,可以解決(jué)由于波形變(bian)化引起的特(te)征點定位錯(cuo)誤問題。通過(guò)選取各換能(néng)器靜态下的(de)回波信号均(jun)✨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(néng)力。提出了使(shǐ)用實時動态(tai)參考波💃🏻形.進(jin)行互✔️相關🤩計(ji)算的方法,有(you)效解決了由(you)環境因素導(dǎo)緻相關性降(jiàng)低✏️的問題,然(rán)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(guan)法存在的問(wen)題,本文提出(chū)了基于相似(si)度和互相關(guan)法的精度高(gao)時差測量方(fāng)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該方法通(tōng)過回波相似(sì)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(guān)法分别對時(shi)差進行粗、細(xì)✔️兩次測量,以(yi)提高其測量(liàng)精度。
測量原(yuan)理
1.1時差法基(jī)本原理
　　時差(cha)法超聲流量(liang)計的測量原(yuan)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(dào)的上下遊位(wèi)置,超聲波從(cóng)A傳播到B爲順(shun)流時間,超聲(sheng)波從B傳播到(dào)A爲逆流時間(jian)，流體流量與(yu)順、逆🎯流時間(jian)差，的關系如(rú)式(1)所示:
 
　　式中(zhong):Q是管道中氣(qì)體瞬時流量(liàng)，D爲管道直徑(jìng),△t是時差♻️,C爲聲(shēng)♍速🏃🏻,α是信🔞号傳(chuan)播路徑與管(guan)道軸線的夾(jiá)角。由式(1)可知(zhi),時差🛀測量精(jīng)度将直接影(ying)響氣體超聲(shēng)流量計流量(liang)計🏒算的精度(du)。
 
1.2時差測量方(fāng)案
　　時差測量(liàng)方法的原理(li)如圖2所示。首(shǒu)先通過對采(cai)集的回波信(xin)号🛀與參考信(xìn)号進行相似(si)度計算,獲得(de)回波特征點(dian)。其次通過特(te)征點結合采(cǎi)樣頻率得到(dao)“粗”時差值✂️;同(tóng)時以💘特征點(diǎn)作爲起♌始點(diǎn)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(suàn)得到“細”時差(cha)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(wèi)
　　由于噪聲幹(gan)擾和測量環(huán)境會使回波(bō)信号的幅值(zhi)發生🚶‍♀️變化，最(zuì)終導緻回波(bo)信号起始點(diǎn)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(tú)3所示。該特征(zheng)點與回波起(qi)始點之間時(shí)👈間恒定,通過(guò)特征點結👣合(he)采樣頻💚率計(ji)算得到順、逆(ni)流的兩個特(te)征飛行時間(jiān)♋Tcharacter,将兩者相減(jian)可抵消固定(dìng)時延,從而得(de)到傳播時間(jian)💁差值。
 
　　目前廣(guang)泛使用的特(tè)征點定位方(fāng)法是雙阈值(zhi)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(zhi)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(gōng)況下,回波🌂信(xin)号的⛹🏻‍♀️幅值特(tè)性會發生變(bian)化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。此時若采(cǎi)用固定阈值(zhí)來确定回波(bō)信号㊙️特征點(dian)，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(zhi)定位的第三(sān)個波形會錯(cuo)誤地定位在(zài)第四🏃‍♂️個波形(xing)，上引起.測量(liàng)💋誤差。改進的(de)阈值法結合(he)不同的工況(kuàng)來對阈值進(jìn)行調整,然而(er)在複雜的測(cè)量環境下，這(zhe)些方法依然(ran)存在一定局(ju)限性。
 
　　針對以(yi)上問題，本文(wen)采用基于相(xiàng)似度的回波(bō)特征點定💚位(wèi)方法來獲取(qǔ)特征點。首先(xiān)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(tè)征點，即圖5方(fāng)框内采🔞樣點(dian)。随🔴後将采集(jí)得到的回波(bo)信号峰值電(diàn)壓與标準工(gōng)況下的峰值(zhí)電壓進行相(xiang)似度計算,從(cóng)而正确定位(wèi)到回波特征(zheng)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(can)考信号第2,3,4峰(fēng)值電壓值🔞與(yǔ)實測信号各(gè)個峰值電壓(yā)值xi,xj爲特征參(cān)數,參數數量(liang)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(xiao)的一組💛實測(cè)回波信号峰(feng)值,即實際回(huí)波信号的第(di)2,3,4波峰值,将特(tè)征點準确定(dìng)位到實際回(hui)波信号第2波(bō)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(chà)測量
　　激勵信(xìn)号驅動超聲(shēng)換能器發射(she)聲波後,采樣(yàng)電路開始進(jìn)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(dui)應采樣點數(shù)n與采樣間隔(gé)T的乘積表示(shì),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(chù)理
　　針對互相(xiàng)關計算過程(chéng)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(cai)樣點作爲待(dài)處理數據以(yi)降低❓運算量(liàng)。具👈體信号如(ru)圖6虛線方框(kuàng)内點所示。
 
　　對(dui)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(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(yàng)點之間插人(ren)L-1個零值得到(dào)信号xu[n],如式(4)所(suǒ)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(shi),并得到幅度(dù)譜圖,如圖7(a)、圖(tu)7(b)所示。
 
　　對于因(yin)子爲L的插零(líng)擴展,相較于(yu)圖7(a),插值後的(de)信号在🈲基帶(dai)_上有L-1個額外(wài)的原信号譜(pǔ)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(tóng)于将内插樣(yàng)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(lǜ)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(ju)與♍幅度譜圖(tú)如圖8(a)和圖8(b)所(suǒ)示,結果表明(ming)上采樣處理(li)後的信号采(cǎi)樣🥰率增大了(le)20倍,同時處理(li)後的數據曲(qǔ)線光滑,證明(míng)上采樣處❤️理(li)符合預期效(xiào)果。
 
3.2.2互相關計(ji)算
　　将順、逆流(liu)回波信号的(de)原始采樣數(shu)據進行上采(cǎi)樣處理☁️得到(dao)xu(n)、yu(n)後,通過離散(san)互相關運算(suan)式(11)得到互相(xiang)關函數Rxy(m):
 
　　式中(zhōng):m=(-N+1,N-1),N爲回波數據(jù)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(ji)爲兩信号時(shí)差。爲了進一(yī)‼️步提高時差(cha)精📱度,選🏃取互(hù)相關函數Rxy(m)中(zhōng)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(jīng)确的峰值D(max，ymax)。
通(tōng)過式(12)得到xmax對(dui)應的細時差(cha)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(kong)制單元,負責(ze)整個測量過(guò)程中時序和(hé)所屬電路的(de)控制。FPGA模塊用(yong)以産生驅動(dòng)電路的觸發(fā)脈沖以及對(dui)采✍️樣數據進(jin)行實時獲取(qu)與存儲,如圖(tu)10所示🌂。包括兩(liang)路激勵🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電路(lù)、切☎️換接收電(dian)路、回波信号(hào)處理電路(濾(lü)波放大電路(lu)、回波到達電(diàn)路、峰值檢測(ce)電路)和信号(hao)采樣電路等(děng)。激勵電路将(jiang)觸發脈沖進(jìn)行推🌍挽放大(dà)後輸人到超(chāo)聲波換能器(qi)并使其發射(shè)超聲波。回波(bo)信👣号接收後(hou)經過回波到(dào)達探測電路(lù)産生一個回(hui)波到達信号(hào)再輸入到單(dan)片機。MSP430單片機(ji)通過内部AD對(duì)經過峰值檢(jian)測電路的回(huí)波信号進行(háng)采集,獲得回(hui)波的最大峰(fēng)值。放大後的(de)回波信号由(yóu)FPGA配合高速AD以(yi)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(jī)進行數據處(chu)理。
 
　　電路采用(yong)的超聲換能(néng)器中心頻率(lü)爲200kHz,驅動信号(hào)幅值爲20V。采樣(yàng)電路中高速(su)采集芯片選(xuǎn)用AD9237-40,采樣頻率(lǜ)設定爲5MHz。
4.2軟件(jiàn)設計
　　軟件設(shè)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(deng)✍️各.個參數進(jìn)行初始化并(bìng)進人低功耗(hào)模式。定時器(qi)達到0.5s時,微處(chu)理器控制FPGA芯(xīn)片産生激勵(lì)信号輸人到(dào)指定的發射(shè)換能器㊙️中。當(dang)單片機接收(shou)到📱回波到達(dá)信号後，,微控(kòng)制器使能FPGA對(dui)處理🈲後的回(huí)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(ji)内部AD對回波(bō)最大峰值電(dian)壓進行采集(ji)。随後，通過上(shang)位機通訊将(jiang)采集到㊙️的回(huí)波數據傳輸(shu)到MATLAB程序。MATLAB程序(xu)首🔆先根據回(hui)波相似度計(ji)算定位到回(hui)波信号的特(tè)征點，其次以(yǐ)🐉特征點爲基(ji)礎結合采樣(yang)頻率和互相(xiang)關法得到精(jīng)度高的飛行(háng)時間差以及(ji)實時聲速值(zhi)，利用時差法(fǎ)計算式(1)得到(dao)瞬時流量值(zhí)。
5實驗驗證
　　爲(wei)評估方法法(fa)的有效性，采(cai)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(yàn)證整體算法(fǎ)的⭕精度。
5.1壓力(lì)實驗研究
　　裝(zhuāng)置如圖12所示(shì),包括氮氣鋼(gāng)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(cai)用本文的信(xìn)号處理方法(fǎ)和基于TDC-GP22測量(liàng)模塊的傳統(tǒng)雙阈值法時(shí)差測量方法(fǎ)(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對比。由(yóu)于在測量🛀過(guo)程中時差值(zhí)♊難以🔴直觀表(biao)示,而聲速測(cè)量與時差測(cè)量均以飛行(háng)時間爲基礎(chǔ),因此在各個(gè)壓力下比🤩較(jiao)兩種方法測(ce)量得到的聲(sheng)速值與理論(lun)聲速值來間(jiān)接驗證測量(liàng)的穩定性，結(jie)果如表1所示(shi)。
 
　　由表1可知,使(shǐ)用基于回波(bo)相似度進行(hang)特征點定位(wèi)⛷️的方法測得(de)的5個壓力試(shi)驗點下聲速(su)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(yù)值法計算得(de)到的聲速在(zài)101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下與理論(lùn)聲速吻合，但(dan)在405.2kPa壓力下與(yǔ)理論聲速産(chǎn)生明顯偏差(chà),與此同時壓(ya)力越大,偏差(chà)數值越大。而(er)在509.5kPa下,聲速測(ce)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(tong)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(yàn)研究
　　選用圖(tú)13所示精度等(deng)級爲0.25級的LQB-1000臨(lin)界流文丘裏(li)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(wei)爲2m'/h~160m'/h。根據超聲(sheng)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(wèi)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(zhì)的平🔴均流量(liàng)值進行比較(jiao),計算誤差并(bìng)進行㊙️三次實(shi)驗來✨得到重(zhòng)複性。基于TDM-SC與(yǔ)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(qiu)。同時在大流(liú)量下,方法🚶依(yi)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(yu)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(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(yu)互相關法對(dui)時差進行粗(cū)、細兩次測量(liàng)以得到準确(que)🤩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(néng)對時差進行(hang)準确測量。系(xì)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(cè)量誤差和重(zhong)複性優于傳(chuan)統雙阈值法(fǎ)🌈。

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