Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

邊旭燁　張玉杰　楊　萍

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安　710021)

參數(shù)估計(jì)法實(shí)現(xiàn)的互相關(guān)流量測量系統(tǒng)

Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

邊旭燁張玉杰楊萍

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)

摘要：由于傳統(tǒng)相關(guān)流量計(jì)測量精度易受外界條件影響，故系統(tǒng)采用參數(shù)估計(jì)實(shí)現(xiàn)渡越時(shí)間的計(jì)算。其主要思想是把測量值不斷地逼近理論值，從而不斷地修改數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)；當(dāng)參數(shù)確定后，計(jì)算流量值。系統(tǒng)采用多核處理器OMAP3530，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用參數(shù)估算法實(shí)現(xiàn)的互相關(guān)流量計(jì)具有精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，并具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。 是現(xiàn)代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準(zhǔn)地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關(guān)鍵詞之前。

陜西省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014K07-17)。

修改稿收到日期：2014-09-02。

第一作者邊旭燁(1970-)，男，2014年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)講師；主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測與處理。

關(guān)鍵詞：流量計(jì)參數(shù)估計(jì)法互相關(guān)渡越時(shí)間傳感器

Abstract：Due to the measurement precision of traditional correlation flowmeter is easily influenced by external conditions, so the parameter estimation method is used to calculate the time-of-flight for the system. The main idea of this method is constantly making the measured value to approach the theoretical value, thus modifying the parameters in mathematical model; when the parameters are determined, the flow is calculated. By using multi-core processor OMAP3530, the real time performance of the system is enhanced. The experimental data show that the cross correlation flowmeter using parameter estimation method features high precision and good real time performance, and possesses practical value of engineering application.

Keywords：FlowmeterParameter estimation methodCorrelationTime-of-flight(TOF)Sensor

0引言

流量測量越來越廣泛，其常用的測量計(jì)有超聲波流量計(jì)和多普勒效應(yīng)流量計(jì)等，其中互相關(guān)流量測量技術(shù)是以隨機(jī)過程的相關(guān)理論為基礎(chǔ)的一種流動(dòng)參數(shù)檢測技術(shù)。直接相關(guān)法有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即直接通過上下游傳感器的輸出信號(hào)來進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并求出渡越時(shí)間，但計(jì)算結(jié)果往往由于一些客觀原因?qū)е抡`差大，如超聲波換能器的尺寸太大或者距離過遠(yuǎn)。此外，實(shí)際的流體不完全滿足“凝固”模型等，都是造成誤差的主要原因[1]。因此，本文采用改進(jìn)型的互相關(guān)算法來提高系統(tǒng)的測量精度。

1超聲波相關(guān)流量計(jì)的測量原理

超聲波互相關(guān)流量測量的主要原理是：超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，要求上游和下游的發(fā)射和接收超聲波換能器選用完全相同的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以獲取流體的流動(dòng)噪聲信號(hào)；信號(hào)經(jīng)相關(guān)處理后，求得流體平均流速[2]。

1.1　互相關(guān)檢測的理論依據(jù)

互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)波形如圖1所示，峰值(最大值)位置所對應(yīng)的時(shí)間τ0就是渡越時(shí)間。

圖1　互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)波形圖

在理想流動(dòng)狀態(tài)下，流體上下游流動(dòng)符合Taylor的“凝固”流動(dòng)模型。對上游和下游接收到的兩個(gè)超聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，可得到兩信號(hào)之間的時(shí)間差，從而推算出流體的流速和流量。如果兩換能器間的距離足夠小，流體在上下游換能器之間的流動(dòng)特性變化較小，則隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)將基本相同，只是y(t)較x(t)有一個(gè)時(shí)間上的滯后。對信號(hào)x(t)和y(t)作互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)函數(shù)的定義為[3]：

(1)

式中：x(t)和y(t)為兩隨機(jī)信號(hào)樣本；τ為所測量兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔，即兩信號(hào)間的時(shí)延。

1.2　超聲相關(guān)流量測量原理

參數(shù)估算法的互相關(guān)流量測量原理如圖2所示，系統(tǒng)分為流動(dòng)噪聲的提取與處理、互相關(guān)渡越時(shí)間測量系統(tǒng)及流速和流量計(jì)算等模塊。

圖2　參數(shù)估算法的互相關(guān)流量測量圖

在沿管道軸線相距L的截面上安裝兩對超聲換能器，工作時(shí)上游換能器向被測流體發(fā)射一定幅度的能量束。當(dāng)被測流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)噪聲調(diào)制上游換能器發(fā)出的能量束，上游換能器檢測到引起調(diào)制作用的隨機(jī)信號(hào)Sx(t)，下游接收換能器提取出與被測流體流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)噪聲信號(hào)Sy(t)。被測流動(dòng)系統(tǒng)可近似為一個(gè)線性系統(tǒng)或者非線性系統(tǒng)，相關(guān)測量系統(tǒng)的任務(wù)是確定出該模型中的一組參數(shù)，使得該模型在輸入信號(hào)x(t)的作用下產(chǎn)生的輸出量ys(t)與被測流動(dòng)系統(tǒng)的輸出信號(hào)y(t)最為相似，從而不斷地修改數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，使其差值e(t)的某一準(zhǔn)則函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)參數(shù)確定后，通過對這些確定參數(shù)的運(yùn)算，求出渡越時(shí)間τ0[4]。

對于被測流體是單相流體或者是均勻混合的兩相流體，也就是管道截面上各點(diǎn)處流體的流速相等時(shí)，被測流體的體積平均流速vcp可以用相關(guān)速度v來表示[5]。因此，信號(hào)在該系統(tǒng)中的傳播速度v可以按下式計(jì)算：

v=L/τ0

(2)

式中：v為相關(guān)速度；L為上、下游換能器的距離。

在理想流動(dòng)狀況下，流量Q的計(jì)算公式為[6]：

(3)

式中：D為管道內(nèi)徑；K為流速分布補(bǔ)償系數(shù)。

2參數(shù)估算法的實(shí)現(xiàn)過程

2.1　參數(shù)估算法的DSP實(shí)現(xiàn)

參數(shù)估算法的互相關(guān)運(yùn)算則是啟動(dòng)DSP核來完成，算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　DSP的參數(shù)估算法實(shí)現(xiàn)流程圖

由于本系統(tǒng)的主控制器選用TI的多核處理器OMAP3530，因此處理器采用720 MHz ARM CORTEX-A8內(nèi)核與520 MHz TMS320C64+ DSP[7]。

2.2　參數(shù)估算法的理論依據(jù)

在參數(shù)估算法中，流動(dòng)噪聲從上游換能器到下游換能器的傳遞過程可以用脈沖響應(yīng)函數(shù)h來表示，其向量表示為h=[h0,h1,…,hM-1]T，其中M為數(shù)學(xué)模型的維數(shù)。利用最優(yōu)算法調(diào)整模型中的參數(shù)使得e(t)的均方值達(dá)到最小。其中：

(4)

從式(4)可以看出，t時(shí)刻的模型輸出ys(t)與該時(shí)刻前M個(gè)輸入信號(hào)x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)有關(guān)，而h0(t)，h1(t)，…，hM-1(t)可以看成輸入的權(quán)重。對于理想的流體來說，下游換能器的接收信號(hào)只是上游換能器的延遲，因此y(t)應(yīng)該和輸入x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)中的某一個(gè)值相等，所以，x(t-m)所對應(yīng)的權(quán)重hm(t)就是最大的。由尋優(yōu)算法得到h的最大元素的序號(hào)m和采樣周期相乘，就可以計(jì)算出流動(dòng)噪聲的渡越時(shí)間τ0。

3互相關(guān)流量測量系統(tǒng)的組成

由于ARM更適于處理一般性的任務(wù)，而DSP更加適合用來實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)性要求比較高的任務(wù)[8]，因此，超聲波發(fā)射控制、信號(hào)采集、存儲(chǔ)器管理、人機(jī)交互、輸出驅(qū)動(dòng)等任務(wù)由ARM來完成，而相關(guān)數(shù)據(jù)處理任務(wù)由DSP來承擔(dān)，最大發(fā)揮OMAP3530的性能，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。相關(guān)流量測量系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4　相關(guān)流量測量系統(tǒng)的硬件框圖

4流量測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對于本系統(tǒng)來說，選擇層次化的軟件設(shè)計(jì)方法是最優(yōu)的方式，層次化設(shè)計(jì)方法將整個(gè)軟件分為底層驅(qū)動(dòng)層、界面層和應(yīng)用層這三層。各層的關(guān)系如圖5所示。

圖5　程序設(shè)計(jì)三層框架圖

當(dāng)OMAP3530開發(fā)板上電后，首先ARM被啟動(dòng)，由ARM端下載代碼并解除復(fù)位后，DSP才開始啟動(dòng)。對DSP加載程序，并進(jìn)行初始化。外部RAM空間即DDR存儲(chǔ)區(qū)，是ARM和DSP共享存在的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止雙核訪問內(nèi)存沖突，把ARM和DSP使用的內(nèi)存嚴(yán)格物理地址分開，ARM用低端地址，DSP分配的是高端地址，并且預(yù)留出2 MB的共享內(nèi)存用來數(shù)據(jù)交互。這個(gè)2 MB的共享內(nèi)存是由DSPLink來管理完成數(shù)據(jù)交互的。

5試驗(yàn)結(jié)果

超聲波換能器的發(fā)射角在本測試系統(tǒng)中選取 30°，兩換能器的距離L=(0.5~2)D(D為管道直徑)[10-11]，管道內(nèi)徑30 mm，同時(shí)測得超聲波在空氣中的傳播速度為341 m/s，測量的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　測量結(jié)果與理論值的對比及誤差

由表1可見，誤差均在2%左右，達(dá)到預(yù)定要求。

6結(jié)束語

本文利用參數(shù)估算法進(jìn)行互相關(guān)流量的測量，系統(tǒng)已通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。測量結(jié)果表明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、測量精度高。

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中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501025