章 濤,趙偉國*,章圣意

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院,杭州 310018;2.浙江蒼南儀表集團股份有限公司,浙江 蒼南 325800)

氣體超聲波流量計常用的測量方法有多普勒法,互相關(guān)法和傳播速度差法等,其中傳播速度差法又可以分為時差法、相位差法以及頻差法[1]。時差法在超聲波流量計中應(yīng)用廣泛,該方法要求準確測量超聲波在管道內(nèi)上下游傳播的渡越時間,常用的渡越時間測量方法有互相關(guān)法、曲線擬合法和雙閾值法等?；ハ嚓P(guān)法的測量精度很大程度上依賴采樣頻率和信噪比[2],因此提高采樣頻率可以提高互相關(guān)法測量渡越時間的精度。曲線擬合法一般采用遺傳算法或蟻群算法建立回波信號模型,計算得到渡越時間[3],但需要較長的計算時間和較高的采樣頻率。雙閾值法通過測量回波信號特征點的時間來確定渡越時間,常見的雙閾值法有固定閾值法[4]和比例閾值法[5]。雙閾值法測量時所確定的特征點不一致會影響流量計的測量精度。因此文獻[6]提出了一種基于雙閾值的相似判斷法,進行回波信號波形采集,通過最小均方誤差判斷特征點一致性[6]。

針對以上問題,本文在固定閾值法和比例閾值法的基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)閾值法,設(shè)計了信號處理電路,研究了第一閾值的設(shè)置方法和渡越時間的補償,并通過溫度實驗,壓力實驗和流量實驗驗證了該方法的合理性。

1 回波處理的雙閾值法

1.1 雙閾值法的原理

如圖1(a)為氣體超聲波流量計結(jié)構(gòu)圖。如圖1(b)中的TAB為開始激勵換能器S1點到接收到回波信號E1的時間,稱為渡越時間。

通過選定一個幅值作為第一閾值,過零點作為第二閾值,則回波信號在D1點首次到達第一閾值,將D1點后第1次到達第二閾值的點記為D2點,即回波信號的特征點。測量S1點到D2的時間T:

T=TAB+TFEA

(1)

式(1)中TFEA為回波信號起始點到特征點的時間,與回波信號起始點相差n個周期,而回波信號的周期由換能器B的中心頻率決定。當(dāng)每次測量特征點D2均在回波信號的同一位置時TFEA為常量,根據(jù)式(1)可以得到渡越時間TAB:

TAB=T-TFEA

(2)

圖1 雙閾值法測量渡越時間示意圖

1.2 雙閾值法測量渡越時間的影響因素

雙閾值法容易受到回波信號波形影響,回波信號波形變化會造成第一閾值在回波信號上所確定的D1點不一致,導(dǎo)致特征點D2變化,TFEA也會發(fā)生變化。

回波信號可以通過建立數(shù)學(xué)模型進行擬合[7-9],本文通過根據(jù)回波信號選擇混合指數(shù)模型[10]進行擬合。該模型可表示為:

y(kt)=A(kt)sin[2πf(kt-τ)]

(3)

(4)

式(3)和式(4)中k為采樣點序號;t為采樣周期;f為傳感器中心頻率;τ為回波信號到達時間;A0為信號最大幅值;m和T兩個參數(shù)與換能器性質(zhì)有關(guān);u(kt-τ)為單位階躍函數(shù)。由式(3)和式(4)可以的出結(jié)論,回波信號y(kt)是關(guān)于x=[A0,τ,f,m,T]為自變量的函數(shù)。利用人工魚群算法[11-12]得到的擬合回波信號y(kt)如圖2(a),可以發(fā)現(xiàn)黑色虛線部分基本吻合實際回波信號。只改變參數(shù)m,T,模擬實際情況下工況發(fā)生變化如圖2(b),發(fā)現(xiàn)黑色虛線框部分發(fā)生改變,即工況改變會影響回波信號的波形,會影響雙閾值法的測量結(jié)果。

圖2 擬合回波信號曲線圖

2 自適應(yīng)閾值法

2.1 自適應(yīng)閾值法原理

由于工況變化會導(dǎo)致回波信號形狀發(fā)生變化,本文提出的自適應(yīng)閾值法,根據(jù)回波信號的波形實時調(diào)整第一閾值,保證每次測量的特征點一致,具體的方法如下:

峰值檢測電路可獲取回波信號的臺階信號如圖3,臺階信號反映了前半段回波信號的形狀,通過臺階采集可以得到每一個臺階的幅值A(chǔ)i(i=1,2,3…N,N為總臺階數(shù)量)。單片機根據(jù)當(dāng)前采集的臺階信號幅值,可設(shè)置下一次測量時的第一閾值Next_Tv1,本文的第一閾值設(shè)置在臺階2和臺階3之間:

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Next_Tv1=(A2+A3)/2

(5)

圖3 臺階信號圖

2.2 硬件電路

如圖4為自適應(yīng)閾值法的電路框圖,回波信號處理電路將微弱的回波信號進行處理,經(jīng)過放大濾波處理后,輸出一個高信噪比、幅值較大的回波信號。利用峰值檢測電路得到回波的臺階信號,臺階信號經(jīng)過高通濾波電路后由CPLD、AD以及高速RAM構(gòu)成臺階采集電路將各個臺階的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,并將臺階信號數(shù)字量傳遞給單片機,單片機利用內(nèi)部AD采集獲得回波信號的最大幅值。單片機根據(jù)當(dāng)前臺階信號設(shè)置下一次測量渡越時間的第一閾值。渡越時間測量電路采用TDC-GP22,通過渡越時間測量電路則可以得到回波信號的渡越時間。

電路采用的超聲波換能器中心頻率為200 kHz左右,所以根據(jù)采樣定理采樣頻率應(yīng)大于400 kHz,為了保證系統(tǒng)臺階識別的準確性實際應(yīng)用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實現(xiàn)臺階信號采集,不需要采用較高的頻率采集回波信號波形以獲取各個波峰幅值。

圖4 硬件電路框圖

2.3 特征點一致性補償

時間測量電路采用TDC-GP22可以連續(xù)測量D1點后第3個、第4個和第5個波峰的下降沿過零點時間。

如圖5所示為正常情況下的回波信號和第一閾值,其中第一閾值與回波信號第1次相交在波峰2,3之間,得到D1點,則TDC-GP22可以分別測得波峰5、波峰6和波峰7的下降沿過零點時間t3、t2和t1,取波峰6的下降沿過零點作為特征點D2,到達特征點時間T為t2。

圖5 特征點的選取

自適應(yīng)閾值法可以獲取當(dāng)前的臺階信號,反映了回波信號各個波峰的大小,將各個臺階幅值A(chǔ)i(i=1,2,3…N,N為總臺階數(shù)量)與當(dāng)前測量設(shè)置的第一閾值Pre_Tv1進行比較,判斷D1點所在位置。

當(dāng)?shù)谝婚撝翟诓ǚ?,2之間時,若不進行特征點一致性補償,則特征點t2將會提前一個周期,在波峰5下降沿的過零點處,此時若要保證特征點一致則到達特征點時間應(yīng)調(diào)整為t1;當(dāng)?shù)谝婚撝翟诓ǚ?,4之間時,若不進行特征點一致性補償,則特征點t2將會滯后一個周期,在波峰7下降沿的過零點處,此時若要保證特征點一致則到達特征點時間應(yīng)調(diào)整為t3。綜上所述,到達特征點時間T應(yīng)根據(jù)第一閾值所在位置選取為:

(6)

因此當(dāng)D1點在不同波峰時也能得到相同位置的特征點D2,保證雙閾值法測量的準確性。

3 實驗研究

3.1 溫度實驗

實驗中將基于時差法的超聲波流量計樣機干燥并密封放入高低溫濕熱試驗箱,采用比例閾值法和自適應(yīng)閾值法在各溫度點穩(wěn)定40 min后進行測量上下游的渡越時間并計算流量。溫度實驗結(jié)果如圖7,當(dāng)超聲波流量計采用比例閾值法時,溫度在-20 ℃～-10 ℃范圍內(nèi)流量計測量產(chǎn)生錯誤,顯示流量約為50 m3/h,其他溫度下流量測量結(jié)果為0 m3/h;當(dāng)超聲波流量計采用自適應(yīng)閾值法時,溫度在-30 ℃～50 ℃時的流量測量結(jié)果均為0 m3/h。溫度實驗表明,溫度變化會導(dǎo)致比例閾值法確定的特征點不一致從而影響超聲波流量計的測量結(jié)果;溫度變化對采用自適應(yīng)閾值法的超聲波流量計無影響。

圖6 溫度實驗裝置

圖7 溫度實驗結(jié)果

3.2 壓力實驗

為了研究壓力變化對回波信號各個臺階幅值影響進行壓力實驗,如圖8為壓力實驗裝置實物圖,罐體密封側(cè)邊可以安裝超聲波換能器并密封,利用壓力計測量罐內(nèi)壓力,其中采用壓力表YC-100,壓力計量程為0～2.5 MPa,精確度等級為1.6級。

圖8 壓力實驗裝置

將壓力緩緩打到0.5 MPa,穩(wěn)定一段時間后再緩緩釋放壓力,利用臺階采集電路測量各個臺階的幅值。實驗結(jié)果如圖9,其中7號曲線為自適應(yīng)閾值法確定的第一閾值曲線,6號曲線為比例閾值法確定的第一閾值曲線,其余1號～5號曲線分別為各個臺階幅值變化曲線。通過分析壓力變化下回波信號各個臺階幅值的變化曲線以及兩種方法的閾值曲線可以發(fā)現(xiàn):由于比例閾值法的閾值與回波信號最大幅值有關(guān),當(dāng)壓力上升逐漸上升,回波信號接近飽和,比例閾值法的閾值也變化較小,但是其他臺階的幅值仍然變化,在一定壓力時比例閾值法的閾值會低于第一臺階的幅值,導(dǎo)致特征點不一致。但是自適應(yīng)閾值法的閾值始終在第一臺階幅值和第二臺階幅值之間,保證特征點的一致性。

圖9 壓力變化下各個臺階幅值變化曲線圖

3.3 流量實驗

如圖10(a)和圖10(b)分別為浙江蒼南儀表集團有限公司氣體標定實驗室的標準表法氣體流量標準裝置實物圖和結(jié)構(gòu)示意圖,裝置流量標定范圍為0.5 m3/h～2 000 m3/h,不確定度為0.25%,以下流量實驗結(jié)果均在該裝置上完成。

圖10 流量實驗裝置

本文涉及的超聲波流量計要求精度等級為1級,管徑為50 mm,量程范圍為2.0 m3/h～160 m3/h,將比例閾值法和自適應(yīng)閾值法應(yīng)用在同一個流量計上進行流量測試,根據(jù)超聲流量計檢定規(guī)程《JJG 1030-2007超聲流量計》要求在檢定過程中每次實際檢定流量與設(shè)定流量不能超過設(shè)定流量的±5%,每個流量點檢定次數(shù)不應(yīng)少于3次,因此流量實驗中每個流量點穩(wěn)定時間30 s,測試時間60 s,每個流量點測試3次,利用比例閾值法和利用自適應(yīng)閾值法的流量實驗結(jié)果分為表1和表2。

表1 比例閾值法各個流量點實驗結(jié)果

表2 自適應(yīng)閾值法各個流量點實驗結(jié)果

結(jié)果表明,采用自適應(yīng)閾值法的超聲波流量計的測量結(jié)果優(yōu)于采用比例閾值法的超聲波流量計的測量結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出了一種自適應(yīng)閾值法,該方法通過采集峰值檢測回波信號產(chǎn)生的臺階信號,以較低的采樣頻率反映出當(dāng)前工況下回波信號的各個波峰峰值電壓,然后計算下次測量的第一閾值。實驗結(jié)果表明,該方法在變化的工況下具有更強的適應(yīng)能力,能夠有效的提高測量準確性。