摘要:針對氣體超聲流量計在測量中存在回波信號衰減大、波形易受工況影響的問題,提出了一種基于精度高時差的氣體超聲流量測量方法。該方法首先通過相似度評估回波信號,對回波信號特征點進行準確定位,進而獲取飛行時間差的粗測量值,其次選取特定回波波形進行互相關法計算獲得時差的細測量值,最后對兩次測量結果相加得到精度高時差,從而實現精度高的流量測量。不同壓力下的聲速測量實驗表明該方法在100kPa至500kPa范圍內可準確測量飛行時間和時差。氣體流量計樣機的流量測量誤差小于1%,重復性優于0.2%,并在大流量下與傳統閾值法相比具有更高的正確率和更優的重復性。
氣體超聲流量計以結構簡單、壓損低、精度高、量程寬及易于維護等優點，成為天然氣貿易中的重要流量儀表。目前氣體超聲流量計測量方法多采用時差法，該方法通過超聲波在管道內順、逆流傳播的飛行時間及聲速來計算流量。飛行時間測量常采用曲線擬合法、互相關法和閾值法,其中曲線擬合法計算過程比較復雜,而閾值法與互相關法的理論成熟,被廣泛應用于氣體超聲流量測量中。閾值法通過定位回波信號的特征點來測量飛行時間,然而測量工況的變化會使特征點定位錯誤,導致測量結果誤差偏大。對此基于回波信號峰值的比例閾值法,該方法通過回波峰值調整閾值來定位特征點以求得時差。基于分段流速的可變閾值法,通過在不同流速下設置不同閾值對特征點進行定位，進而求得時差。基于回波極值點的幅值對閾值進行調節的自適應閾值法,該方法使用當前工況下的回波極值點對閾值進行修正,進而準確定位特征點位置并得到時差。上述方法均根據不同的工況對閾值進行調整,以提高時差測量精度,但面對復雜的測量環境仍存在局限性。互相關法通過將順、逆流回波信號進行互相關計算以得到時差值,可以解決由于波形變化引起的特征點定位錯誤問題。通過選取各換能器靜態下的回波信號均值作為互相關計算的參考信號以提高測量結果的抗干擾能力。提出了使用實時動態參考波形.進行互相關計算的方法,有效解決了由環境因素導致相關性降低的問題,然而以上方法均存在計算量較大的問題。
針對閾值法與互相關法存在的問題,本文提出了基于相似度和互相關法的精度高時差測量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該方法通過回波相似度評估,實現特征點的正確定位，并結合傳輸時差法與互相關法分別對時差進行粗、細兩次測量,以提高其測量精度。
測量原理
1.1時差法基本原理
時差法超聲流量計的測量原理如圖1所示。超聲換能器A,B分別安裝在流量計管道的上下游位置,超聲波從A傳播到B為順流時間,超聲波從B傳播到A為逆流時間，流體流量與順、逆流時間差，的關系如式(1)所示:
式中:Q是管道中氣體瞬時流量，D為管道直徑,△t是時差,C為聲速,α是信號傳播路徑與管道軸線的夾角。由式(1)可知,時差測量精度將直接影響氣體超聲流量計流量計算的精度。
1.2時差測量方案
時差測量方法的原理如圖2所示。首先通過對采集的回波信號與參考信號進行相似度計算,獲得回波特征點。其次通過特征點結合采樣頻率得到“粗”時差值;同時以特征點作為起始點來選取特定的波形數據,并將選取波形進行上采樣處理，通過互相關運算得到“細”時差值,最終獲得精度高時差測量結果。
2基于相似度的特征點定位
由于噪聲干擾和測量環境會使回波信號的幅值發生變化，最終導致回波信號起始點定位錯誤。因此需在回波信號上找到一個穩定的特征點，如圖3所示。該特征點與回波起始點之間時間恒定,通過特征點結合采樣頻率計算得到順、逆流的兩個特征飛行時間Tcharacter,將兩者相減可抵消固定時延,從而得到傳播時間差值。
目前廣泛使用的特征點定位方法是雙閾值法,其原理如圖4所示。第一閾值線電壓值約為0.35V,0V幅值線作為第二閾值用于定位到過零采樣點,即回波特征點。在不同流量或工況下,回波信號的幅值特性會發生變化。此時若采用固定閾值來確定回波信號特征點，會造成飛行時間測量存在數個周期的誤差。如圖4所示，當環境壓力從500kPa變化為101kPa時,原本通過第一閾值定位的第三個波形會錯誤地定位在第四個波形，上引起.測量誤差。改進的閾值法結合不同的工況來對閾值進行調整,然而在復雜的測量環境下，這些方法依然存在一定局限性。
針對以上問題，本文采用基于相似度的回波特征點定位方法來獲取特征點。首先通過0V幅值線獲得回波信號的多個過零采樣點，以作為“備選”特征點，即圖5方框內采樣點。隨后將采集得到的回波信號峰值電壓與標準工況下的峰值電壓進行相似度計算,從而正確定位到回波特征點。
回波信號相似度評估選擇標準工況下的參考回波信號I和實測回波信號J作為相似估計對象。參考信號第2,3,4峰值電壓值與實測信號各個峰值電壓值xi,xj為特征參數,參數數量n取3。通過計算,選取與參考回波信號歐氏距離最小的一組實測回波信號峰值,即實際回波信號的第2,3,4波峰值,將特征點準確定位到實際回波信號第2波后的過零點,即圖5中點P2。
3精度高時差的測量
3.1粗時差測量
激勵信號驅動超聲換能器發射聲波后,采樣電路開始進行回波信號采集。超聲波順、逆流傳播的飛行時間tui和tdi通過其對應采樣點數n與采樣間隔T的乘積表示,求得粗時差值,計算如式(3)所示:
式中:n1和n2分別為順、逆流下回波信號特征點對應的采樣點數。
3.2細時差測量
3.2.1波形選取與上采樣處理
針對互相關計算過程中運算量較大的問題,選擇回波信號特征點后三個周期的采樣點作為待處理數據以降低運算量。具體信號如圖6虛線方框內點所示。
對選取信號進行上采樣處理來提高采樣率。上采樣處理包括數據的插值和低通濾波兩個步驟。首先將采集到的數據量為N的原始信號x[n]中每兩個采樣點之間插人L-1個零值得到信號xu[n],如式(4)所示:
為了更好地觀察信號處理前后的頻率特性,通過式(5)、式(6)將信號x[n]、xu[n]轉移到頻域,如式(7)所示,并得到幅度譜圖,如圖7(a)、圖7(b)所示。
對于因子為L的插零擴展,相較于圖7(a),插值后的信號在基帶_上有L-1個額外的原信號譜鏡像產生。隨后通過低通濾波濾除這L-1個鏡像,等同于將內插樣本值“填入”到xu[n]中的零樣本，上，實現原采集信號x[n]的上采樣處理。
設計的低通濾波器的頻域表達為式(8):
當C=L時滿足零初始條件,濾波器的頻域表達如式(10)所示:
采樣信號x[n]與經過L=20進行上采樣處理后信號xu[n]的數據與幅度譜圖如圖8(a)和圖8(b)所示,結果表明上采樣處理后的信號采樣率增大了20倍,同時處理后的數據曲線光滑,證明上采樣處理符合預期效果。
3.2.2互相關計算
將順、逆流回波信號的原始采樣數據進行上采樣處理得到xu(n)、yu(n)后,通過離散互相關運算式(11)得到互相關函數Rxy(m):
式中:m=(-N+1,N-1),N為回波數據的信號長度。如圖9所示，互相關函數Rxy(m)的峰值B所對應的時間值即為兩信號時差。為了進一步提高時差精度,選取互相關函數Rxy(m)中峰值處的三個最高點A、B、C進行曲線擬合以得到更精確的峰值D(max，ymax)。
通過式(12)得到xmax對應的細時差值△tcorr，其中T為采樣間隔。
4系統實現
4.1硬件設計
采用MSP430F6638芯片作為核心控制單元,負責整個測量過程中時序和所屬電路的控制。FPGA模塊用以產生驅動電路的觸發脈沖以及對采樣數據進行實時獲取與存儲,如圖10所示。包括兩路激勵電路、切換接收電路、回波信號處理電路(濾波放大電路、回波到達電路、峰值檢測電路)和信號采樣電路等。激勵電路將觸發脈沖進行推挽放大后輸人到超聲波換能器并使其發射超聲波。回波信號接收后經過回波到達探測電路產生一個回波到達信號再輸入到單片機。MSP430單片機通過內部AD對經過峰值檢測電路的回波信號進行采集,獲得回波的最大峰值。放大后的回波信號由FPGA配合高速AD以及RAM進行模數轉換和數據存儲,采集到的數據通過485通信電路傳輸到計算機進行數據處理。
電路采用的超聲換能器中心頻率為200kHz,驅動信號幅值為20V。采樣電路中高速采集芯片選用AD9237-40,采樣頻率設定為5MHz。
4.2軟件設計
軟件設計包含MSP430程序和MATLAB程序兩個部分，如圖11所示。
MSP430程序流程如下所述。系統初上電后,MSP430F6638將對I0口、定時器及FPGA模塊等各.個參數進行初始化并進人低功耗模式。定時器達到0.5s時,微處理器控制FPGA芯片產生激勵信號輸人到指定的發射換能器中。當單片機接收到回波到達信號后，,微控制器使能FPGA對處理后的回波信號進行采樣并存儲在FPGA的RAM中,同時開啟單片機內部AD對回波最大峰值電壓進行采集。隨后，通過上位機通訊將采集到的回波數據傳輸到MATLAB程序。MATLAB程序首先根據回波相似度計算定位到回波信號的特征點，其次以特征點為基礎結合采樣頻率和互相關法得到精度高的飛行時間差以及實時聲速值，利用時差法計算式(1)得到瞬時流量值。
5實驗驗證
為評估方法法的有效性，采用壓力實驗驗證時間差測量的穩定性,進而通過流量實驗驗證整體算法的精度。
5.1壓力實驗研究
裝置如圖12所示,包括氮氣鋼瓶和密封管路裝置等。選擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及500kPa五個壓力點進行相關的壓力。
采用本文的信號處理方法和基于TDC-GP22測量模塊的傳統雙閾值法時差測量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進行對比。由于在測量過程中時差值難以直觀表示,而聲速測量與時差測量均以飛行時間為基礎,因此在各個壓力下比較兩種方法測量得到的聲速值與理論聲速值來間接驗證測量的穩定性，結果如表1所示。
由表1可知,使用基于回波相似度進行特征點定位的方法測得的5個壓力試驗點下聲速值均與理論聲速吻合,最大誤差僅為-0.13m/s。而傳統雙閾值法計算得到的聲速在101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下與理論聲速吻合，但在405.2kPa壓力下與理論聲速產生明顯偏差,與此同時壓力越大,偏差數值越大。而在509.5kPa下,聲速測量值與理論聲速差值高達7.89m/s。實驗結果證明基于回波相似度的特征點定位信號處理方法能在不同壓力下實現飛行時間差測量的正確率。
5.2流量實驗研究
選用圖13所示精度等級為0.25級的LQB-1000臨界流文丘里音速噴嘴校準裝置,采用管徑為50mm的氣體超聲流量測量系統樣機，流量范圍為2m'/h~160m'/h。根據超聲流量計檢定規程《JJG1030-2007超聲流量計》,選擇分界流量點為16m2/h。各個流量檢定點為Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每個流量點測量90s。將測量得到的流量值和標準裝置的平均流量值進行比較,計算誤差并進行三次實驗來得到重復性。基于TDM-SC與TDM-DT兩種方法的測量結果如表2所示。
表2數據表明，基于TDM-SC的氣體超聲流量測量系統測量誤差小于1%,重復性優于0.2%,符合一級表的要求。同時在大流量下,方法依然能保持低于1%的測量誤差和良好的重復性。
6結論
提出了基于精度高時差的氣體超聲流量測量方法,該方法通過回波相似度評估對回波特征點進行準確定位,在特征點基礎上結合傳輸時間法與互相關法對時差進行粗、細兩次測量以得到準確的時差值，最終實現精度高的流量測量。 結果表明,該方法在100kPa至500kPa的壓力下能對時差進行準確測量。系統樣機的流量測量精度滿足1級精度的要求,并在大流量下測量誤差和重復性優于傳統雙閾值法。
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