馬 杰, 徐科軍, 江 圳, 張 倫, 徐浩然

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

1 引 言

氣體超聲波流量計(jì)具有量程比大、精度高、無(wú)壓損等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于大口徑管道的氣體流量測(cè)量[1～3]。氣體超聲波流量計(jì)的主要測(cè)量方法有時(shí)差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、傳播速度差法等。其中,時(shí)差法受溫度等各種影響因素較小,應(yīng)用最為廣泛[4]。時(shí)差法的原理是通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)在順、逆流中的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算氣體流量[5]。但是,超聲波信號(hào)在氣體中傳播時(shí)能量衰減較大,并且,隨著氣體流速的增加,超聲波信號(hào)的傳播路徑會(huì)產(chǎn)生偏移。這種偏移將進(jìn)一步導(dǎo)致回波信號(hào)能量的減弱,使得回波信號(hào)幅值減小,信噪比降低,易受噪聲等干擾[6]。因此,準(zhǔn)確地定位回波信號(hào)是超聲波流量計(jì)信號(hào)處理的關(guān)鍵。為此,學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究工作,提出了多種信號(hào)處理方法。從回波信號(hào)幅值的角度,文獻(xiàn)[7]提出了基于固定閾值的信號(hào)處理方法。文獻(xiàn)[8]提出了基于可變閾值與過(guò)零檢測(cè)的信號(hào)處理方法。然而,隨著流量的增大,回波信號(hào)的峰值點(diǎn)波動(dòng)劇烈,使得很難用一個(gè)固定的閾值兩個(gè)峰區(qū)分開(kāi),進(jìn)而限制了該類方法的最大可測(cè)流量范圍。從回波信號(hào)輪廓的角度,文獻(xiàn)[9]分析了不同流量下回波信號(hào)輪廓的變化規(guī)律,提出了基于回波上升段峰值擬合的信號(hào)處理方法。文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步研究了回波信號(hào)的輪廓,提出了基于回波包絡(luò)擬合的信號(hào)處理方法。但是,該類方法選擇峰值點(diǎn)的方法較為復(fù)雜,導(dǎo)致算法的計(jì)算量較大,不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。從回波信號(hào)能量角度,文獻(xiàn)[11]提出了基于能量變化率的信號(hào)處理方法。該方法步驟比較復(fù)雜;并且,需要提前設(shè)定閾值。文獻(xiàn)[12]提出了能量點(diǎn)定位的方法。該方法取得了較好的效果。

為了提高氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和量程比,分析了回波信號(hào)能量的變化規(guī)律,并結(jié)合回波能量信號(hào)輪廓的特征,人們提出了一種基于回波能量峰值點(diǎn)擬合的信號(hào)處理方法?；夭芰啃盘?hào)的上升段是受激勵(lì)信號(hào)的直接作用,且基本不存在反射聲波的影響。因此,該部分的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于下降段。隨著流量的增大,回波能量信號(hào)上升段的包絡(luò)線近似沿x軸平移[13]。其中,中間部分的包絡(luò)線斜率始終相對(duì)較大,且基本相同,該部分有多個(gè)峰值點(diǎn)近似分布在一條直線上。因此,可以擬合中間部分的多個(gè)峰值點(diǎn)構(gòu)成一條直線,以該直線與x軸的交點(diǎn)作為特征點(diǎn),從而計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間。一方面,擬合多個(gè)峰值點(diǎn)能減小某一特定峰值點(diǎn)波動(dòng)時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差;另一方面,該擬合直線也符合回波能量信號(hào)上升段輪廓的實(shí)際變化規(guī)律。本文在基于FPGA和DSP的雙核心系統(tǒng)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該信號(hào)處理方法,并在國(guó)家認(rèn)可的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了信號(hào)處理方法和系統(tǒng)的有效性。

2 回波能量信號(hào)研究

2.1 回波能量信號(hào)輪廓分析

為了得到穩(wěn)定的特征點(diǎn),從回波能量信號(hào)的角度出發(fā),根據(jù)回波信號(hào)的能量與其幅值的平方呈比例關(guān)系[14],對(duì)回波信號(hào)的幅值進(jìn)行平方處理,用來(lái)表示回波信號(hào)的能量。采集流量為(0,200,400,600,800,1 000 m3/h)時(shí)的50組回波信號(hào)。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、幅值平方、求和取均值、歸一化等預(yù)處理后,得到最終的回波能量信號(hào)。利用MATLAB對(duì)回波能量信號(hào)的所有峰值點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到各流量回波能量包絡(luò)線,如圖1所示。

圖1 不同流量回波能量信號(hào)及其包絡(luò)線Fig.1 Echo energy signal and its envelope under different flow rates

由圖1可見(jiàn),各流量下回波能量信號(hào)上升段的波形輪廓基本相同,且隨著流量的增大,近似沿著x軸向右平移。這是因?yàn)榛夭芰啃盘?hào)上升階段是受激勵(lì)換能器的發(fā)射聲波直接作用,基本不存在反射聲波等影響;同時(shí),每次發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)的幅值、數(shù)量、頻率、相位都相同,即每次發(fā)出的超聲波信號(hào)能量都相同[15]。因此,不同流量下回波信號(hào)的能量存在統(tǒng)一的變化規(guī)律,即在上升段起始部分,由于接收換能器剛接收到超聲波信號(hào),因此能量較小,能量變化率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì);上升段中間部分能量變化率趨于穩(wěn)定,能量近似呈線性增長(zhǎng),上升段結(jié)束部分由于能量趨于飽和,故增長(zhǎng)速度也逐漸減小;當(dāng)接收換能器完全接收超聲波信號(hào)后,能量到達(dá)最大值。隨后,能量出現(xiàn)不規(guī)則的衰減,并逐漸衰減為零。根據(jù)回波能量的變化規(guī)律可得:回波能量在增長(zhǎng)過(guò)程中有一段穩(wěn)定增長(zhǎng)的過(guò)程,該過(guò)程對(duì)應(yīng)回波能量信號(hào)上升段包絡(luò)線中間近似一條直線的部分,因此,該部分包絡(luò)線相對(duì)比較穩(wěn)定;并且,此時(shí)回波信號(hào)的能量增長(zhǎng)也相對(duì)比較穩(wěn)定。因此,可以將回波能量信號(hào)上升段中間部分的多個(gè)峰值點(diǎn)擬合成一條直線,將該直線與x軸的交點(diǎn)作為特征點(diǎn)。該直線既符合回波能量信號(hào)上升段中間部分輪廓的實(shí)際變化規(guī)律,以該直線與x軸的交點(diǎn)作為特征點(diǎn)也能有效地減小回波能量信號(hào)峰值點(diǎn)的波動(dòng)對(duì)特征點(diǎn)的影響。

2.2 回波能量信號(hào)特征峰值點(diǎn)的確定

由第2.1節(jié)可得:回波能量信號(hào)上升段中間部分包絡(luò)線斜率近似相等;并且,在整個(gè)上升段是最大的。因此,可以連接回波能量信號(hào)上升段相鄰的峰值點(diǎn)并求得各連線的斜率,中間部分連線的斜率在整個(gè)上升階段連線的斜率中始終相對(duì)較大,將斜率較大的幾條連線作為特征直線,并以特征直線的右端點(diǎn)作為特征峰值點(diǎn)來(lái)擬合直線。本文通過(guò)流量為0 m3/h的回波能量信號(hào)為例,介紹選擇特征峰值點(diǎn)的具體步驟。

1) 對(duì)50組回波信號(hào)濾波、幅值平方、求和取均值、幅值歸一化處理。

2) 以最大峰值點(diǎn)為基準(zhǔn)向前找到回波能量信號(hào)上升段的14個(gè)峰值點(diǎn)Pi(xi,yi),i=1,…,14,連接相鄰的峰值點(diǎn),求得各連線的斜率Kj,j=1,…,13。

(1)

3) 將Kj進(jìn)行比較,選擇較大的4個(gè)斜率Km、Kn、Kp、Kq(13≥m,n,p,q≥1),且,Km≥Kn≥Kp≥Kq,這4個(gè)斜率對(duì)應(yīng)的直線作為特征直線。

4) 以每條特征直線的右端點(diǎn)pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1)為4個(gè)特征峰值點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合,如圖2所示。

2.3 回波能量信號(hào)特征點(diǎn)確定

針對(duì)回波能量信號(hào)找到的4個(gè)特征峰值點(diǎn)pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1),對(duì)特征峰值點(diǎn)pm+1、pn+1、pp+1、pq+1進(jìn)行線性擬合,可得擬合直線y=Kx+B,K為擬合直線的斜率,B為擬合直線的截距。

(2)

(3)

2.4 抗干擾能力分析

如圖4所示,隨著流量的增大,回波能量信號(hào)上升段中間部分峰值點(diǎn)的幅值可能會(huì)有些許波動(dòng),從而使求得的特征峰值點(diǎn)的順序發(fā)生變化。但是,整個(gè)上升段的特征峰值點(diǎn)始終穩(wěn)定在中間區(qū)域,僅有幾組回波能量信號(hào)確定的特征峰值點(diǎn)出現(xiàn)了1～2個(gè)峰值點(diǎn)的偏差。此時(shí),并非方法確定的特征峰值點(diǎn)不對(duì),而是由于該信號(hào)處理方法確定的始終是斜率較大的4條特征直線,即確定的是更加近似分布在一條直線上的特征峰值點(diǎn)。因此,該方法在確定特征峰值點(diǎn)時(shí)將回波能量信號(hào)的波動(dòng)也考慮進(jìn)去,從而根據(jù)具體回波能量信號(hào)的波動(dòng)情況選擇最佳的特征峰值點(diǎn),而不是根據(jù)某一固定的閾值區(qū)間來(lái)確定特征峰值點(diǎn)。

圖4 800 m3/h流量下50組回波能量信號(hào)特征峰值點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of characteristic peak points of 50 sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate

圖5為800 m3/h流量下相鄰2組回波能量信號(hào)求得的特征點(diǎn)示意圖,相鄰兩組回波信號(hào)求得的特征點(diǎn)僅相差7.3個(gè)采樣間隔,若按照某一固定閾值區(qū)間(包含回波能量信號(hào)1的特征峰值點(diǎn))來(lái)確定回波能量信號(hào)2的特征峰值點(diǎn),即如圖6所示,求得的2個(gè)特征點(diǎn)相差12.7個(gè)采樣間隔。由此可得,該信號(hào)處理方法對(duì)于回波能量信號(hào)峰值點(diǎn)的波動(dòng)有一定的抑制作用,能根據(jù)回波能量信號(hào)的實(shí)際波形確定最佳的特征峰值點(diǎn)進(jìn)行擬合,進(jìn)而使求得的特征點(diǎn)更加穩(wěn)定。

圖5 本文方法流量為800 m3/h時(shí)2組回波能量信號(hào)特征點(diǎn)Fig.5 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by this method

圖6 固定閾值區(qū)間確定流量800 m3/h時(shí)2組回波能量信號(hào)特征點(diǎn)Fig.6 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by fixed threshold interval

3 系統(tǒng)硬件及軟件

3.1 硬件系統(tǒng)

整個(gè)硬件系統(tǒng)采用FPGA和DSP組成雙核心架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的激勵(lì)和處理,充分發(fā)揮了DSP高速運(yùn)算和FPGA并行邏輯控制的優(yōu)勢(shì)[16,17]。DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理,FPGA負(fù)責(zé)邏輯時(shí)序控制,兩者相互配合,共同完成流量的精確測(cè)量。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要包括電源管理電路、DSP最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)、激勵(lì)、回波信號(hào)通道切換電路、激勵(lì)信號(hào)生成與放大電路、回波信號(hào)調(diào)理與采集電路以及流量管和發(fā)射、接收換能器。

3.2 軟件系統(tǒng)及工作過(guò)程

整個(gè)軟件系統(tǒng)包括DSP軟件系統(tǒng)和FPGA軟件系統(tǒng)。DSP主要負(fù)責(zé)向FPGA發(fā)送激勵(lì)起始信號(hào)、換能器通道的切換、回波信號(hào)的實(shí)時(shí)處理、與上位機(jī)通訊以及液晶顯示等功能。FPGA實(shí)現(xiàn)高速邏輯器件的有序切換,配合DSP主監(jiān)控程序合理有序地調(diào)用各個(gè)功能模塊,主要負(fù)責(zé)控制DAC模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),控制ADC模塊采集回波信號(hào)并將回波信號(hào)暫存在內(nèi)部雙口RAM中以及向DSP發(fā)送轉(zhuǎn)存信號(hào)等功能。兩者協(xié)同工作,共同完成流量的測(cè)量。

具體工作過(guò)程為:系統(tǒng)上電后,DSP完成各個(gè)模塊的初始化,初始化完成后,向FPGA發(fā)送激勵(lì)起始信號(hào),同時(shí)設(shè)置好換能器發(fā)射和接收通道。FPGA接收到信號(hào)后,立刻使能片內(nèi)的延時(shí)模塊,并將內(nèi)部ROM中存儲(chǔ)的正弦波形數(shù)據(jù)輸出至外部DAC模塊,生成激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后到達(dá)相應(yīng)的發(fā)射換能器,產(chǎn)生超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)在管道中經(jīng)過(guò)一段渡越時(shí)間后到達(dá)接收換能器,形成回波信號(hào)。回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大調(diào)理電路后,FPGA控制外部ADC模塊以5 MHz的頻率進(jìn)行采樣,采樣數(shù)據(jù)先存放到FPGA內(nèi)部雙口RAM中。與此同時(shí),DSP重復(fù)檢測(cè)定時(shí)器時(shí)間標(biāo)志位是否為0,若為0,則等待FPGA完成采樣;若為1,則更新液晶顯示,與上位機(jī)通信,并將定時(shí)器時(shí)間標(biāo)志位置0。采樣完成后,FPGA向DSP發(fā)送轉(zhuǎn)存信號(hào),DSP接收到轉(zhuǎn)存信號(hào)后,將回波信號(hào)數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)部RAM中,并調(diào)用本文的信號(hào)處理方法確定回波信號(hào)的特征點(diǎn),從而計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間。循環(huán)四次上述過(guò)程后,得到超聲波信號(hào)在兩個(gè)聲道順、逆流情況下的傳播時(shí)間,即可計(jì)算出實(shí)時(shí)流量。

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)以及所提出的信號(hào)處理方法的有效性,在安徽省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定設(shè)備為準(zhǔn)確度0.33級(jí)的音速噴嘴,符合超聲流量計(jì)檢定規(guī)程中檢定一級(jí)精度氣體超聲流量計(jì)的要求。具體標(biāo)定步驟為:

1) 安裝好被檢表后,將標(biāo)定設(shè)備的流量設(shè)為 0 m3/h,對(duì)被檢表各個(gè)聲道的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算,然后將各聲道的計(jì)算值與理論計(jì)算得到的傳播時(shí)間值相減,完成各個(gè)聲道傳播時(shí)間的修正。根據(jù)零流量下被檢表在一段時(shí)間內(nèi)累積流量的輸出值獲得被檢表每秒的平均輸出誤差,完成零點(diǎn)修正。

2) 將標(biāo)定設(shè)備的流量設(shè)置為400 m3/h,根據(jù)標(biāo)定設(shè)備的脈沖系數(shù)K(標(biāo)準(zhǔn)脈沖系數(shù)設(shè)置為5 000脈沖/m3)與被檢表的脈沖系數(shù)之比,得到初步的被檢表系數(shù)F,設(shè)入被檢表程序中。

3) 再依次將標(biāo)定設(shè)備的流量調(diào)至30,60,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 100,1 200 m3/h共14個(gè)流量點(diǎn),得到各流量下被檢表的實(shí)際脈沖系數(shù)Ki,i=1,…,13,與標(biāo)準(zhǔn)脈沖系數(shù)進(jìn)行比較,得到被檢表各實(shí)測(cè)流量點(diǎn)Qi的相對(duì)誤差ei:

(4)

根據(jù)各實(shí)測(cè)流量點(diǎn)Qi和各實(shí)測(cè)流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差ei,進(jìn)行分段線性插值,得到被檢表在各個(gè)流量段內(nèi)任意流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差e:

(5)

由各個(gè)流量段內(nèi)任意流量點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差e,對(duì)被檢表的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精確修正,得到修正后的流量值Ql:

Ql=Q-e×Q

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

最終標(biāo)定結(jié)果如表1所示。氣體超聲流量計(jì)檢定規(guī)程對(duì)1級(jí)精度的氣體超聲流量計(jì)的要求為:流速不大于3 m/s(100 mm口徑約85 m3/h)時(shí),示值誤差小于±2%,重復(fù)性小于0.4%;流速大于3 m/s時(shí),示值誤差小于±1%,重復(fù)性小于0.2%[18]。由表1可知,氣體流量不大于85 m3/h時(shí),最大示值誤差為-0.80%,最大重復(fù)性為0.19%;流量大于85 m3/h時(shí),最大示值誤差為+0.05%,最大重復(fù)性為0.09%。標(biāo)定結(jié)果表明:基于回波能量峰值點(diǎn)擬合的氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)滿足檢定規(guī)程對(duì)1級(jí)精度氣體超聲波流量計(jì)的指標(biāo)要求,該信號(hào)處理方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小,在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下將可測(cè)范圍提升至30～1 200 m3/h。

表1 基于回波能量峰值點(diǎn)擬合方法標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration results based on echo energy peak fitting method

5 結(jié) 論

1) 研究了回波信號(hào)能量的變化規(guī)律,并結(jié)合回波能量信號(hào)的輪廓特征,得出回波能量信號(hào)上升段中間部分比較穩(wěn)定。該部分包絡(luò)線近似一條直線,且在整個(gè)上升段斜率是最大的,故通過(guò)連接上升段相鄰的峰值點(diǎn)并求得各連線斜率,以斜率相對(duì)較大的4條直線作為特征直線來(lái)確定擬合直線所需的特征峰值點(diǎn)。

2) 提出了一種基于回波能量峰值點(diǎn)擬合的信號(hào)處理方法,給出了確定特征點(diǎn)的詳細(xì)步驟。對(duì)方法的抗干擾能力進(jìn)行分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了該信號(hào)處理方法能根據(jù)回波能量信號(hào)的具體波形選擇最佳的特征峰值點(diǎn)進(jìn)行擬合,進(jìn)而提高了特征點(diǎn)的穩(wěn)定性。

3) 在基于FPGA和DSP的雙核心系統(tǒng)上,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了該信號(hào)處理方法。在國(guó)家認(rèn)可的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于回波能量峰值點(diǎn)擬合信號(hào)處理方法的雙聲道氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)達(dá)到1級(jí)精度,可測(cè)流量范圍為30～1 200 m3/h,量程比提升至1:40。