氣體超聲流量計(jì)回波信號(hào)的自適應(yīng)閾值法研究*

章 濤,趙偉國(guó)*,章圣意

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310018;2.浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司,浙江 蒼南 325800)

氣體超聲波流量計(jì)常用的測(cè)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(shí)差法、相位差法以及頻差法[1]。時(shí)差法在超聲波流量計(jì)中應(yīng)用廣泛,該方法要求準(zhǔn)確測(cè)量超聲波在管道內(nèi)上下游傳播的渡越時(shí)間,常用的渡越時(shí)間測(cè)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(cè)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(cè)量渡越時(shí)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(hào)模型,計(jì)算得到渡越時(shí)間[3],但需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和較高的采樣頻率。雙閾值法通過測(cè)量回波信號(hào)特征點(diǎn)的時(shí)間來確定渡越時(shí)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(cè)量時(shí)所確定的特征點(diǎn)不一致會(huì)影響流量計(jì)的測(cè)量精度。因此文獻(xiàn)[6]提出了一種基于雙閾值的相似判斷法,進(jìn)行回波信號(hào)波形采集,通過最小均方誤差判斷特征點(diǎn)一致性[6]。

針對(duì)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(jì)了信號(hào)處理電路,研究了第一閾值的設(shè)置方法和渡越時(shí)間的補(bǔ)償,并通過溫度實(shí)驗(yàn),壓力實(shí)驗(yàn)和流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)結(jié)構(gòu)圖。如圖1(b)中的TAB為開始激勵(lì)換能器S1點(diǎn)到接收到回波信號(hào)E1的時(shí)間,稱為渡越時(shí)間。

通過選定一個(gè)幅值作為第一閾值,過零點(diǎn)作為第二閾值,則回波信號(hào)在D1點(diǎn)首次到達(dá)第一閾值,將D1點(diǎn)后第1次到達(dá)第二閾值的點(diǎn)記為D2點(diǎn),即回波信號(hào)的特征點(diǎn)。測(cè)量S1點(diǎn)到D2的時(shí)間T:

T=TAB+TFEA

(1)

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

TAB=T-TFEA

(2)

圖1 雙閾值法測(cè)量渡越時(shí)間示意圖

1.2 雙閾值法測(cè)量渡越時(shí)間的影響因素

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

回波信號(hào)可以通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合[7-9],本文通過根據(jù)回波信號(hào)選擇混合指數(shù)模型[10]進(jìn)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(diǎn)序號(hào);t為采樣周期;f為傳感器中心頻率;τ為回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間;A0為信號(hào)最大幅值;m和T兩個(gè)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(hào)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(hào)y(kt)如圖2(a),可以發(fā)現(xiàn)黑色虛線部分基本吻合實(shí)際回波信號(hào)。只改變參數(shù)m,T,模擬實(shí)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(huì)影響回波信號(hào)的波形,會(huì)影響雙閾值法的測(cè)量結(jié)果。

圖2 擬合回波信號(hào)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(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)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(hào)的波形實(shí)時(shí)調(diào)整第一閾值,保證每次測(cè)量的特征點(diǎn)一致,具體的方法如下:

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

“互聯(lián)網(wǎng)+”的模式方便了信息數(shù)據(jù)在感知中的處理、智能化的配置、多方向的互動(dòng)發(fā)展、無時(shí)間限制的訪問方式，使智慧校園在信息處理中能夠本著對(duì)學(xué)生的實(shí)際生活、學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)新與改革。使信息化校園建設(shè)趨于方便和快捷，加強(qiáng)了信息的聯(lián)動(dòng)性，從而優(yōu)化師生溝通的環(huán)境。

Next_Tv1=(A2+A3)/2

(5)

圖3 臺(tái)階信號(hào)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(hào)處理電路將微弱的回波信號(hào)進(jìn)行處理,經(jīng)過放大濾波處理后,輸出一個(gè)高信噪比、幅值較大的回波信號(hào)。利用峰值檢測(cè)電路得到回波的臺(tái)階信號(hào),臺(tái)階信號(hào)經(jīng)過高通濾波電路后由CPLD、AD以及高速RAM構(gòu)成臺(tái)階采集電路將各個(gè)臺(tái)階的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,并將臺(tái)階信號(hào)數(shù)字量傳遞給單片機(jī),單片機(jī)利用內(nèi)部AD采集獲得回波信號(hào)的最大幅值。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前臺(tái)階信號(hào)設(shè)置下一次測(cè)量渡越時(shí)間的第一閾值。渡越時(shí)間測(cè)量電路采用TDC-GP22,通過渡越時(shí)間測(cè)量電路則可以得到回波信號(hào)的渡越時(shí)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(tái)階識(shí)別的準(zhǔn)確性實(shí)際應(yīng)用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)階信號(hào)采集,不需要采用較高的頻率采集回波信號(hào)波形以獲取各個(gè)波峰幅值。

圖4 硬件電路框圖

2.3 特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償

時(shí)間測(cè)量電路采用TDC-GP22可以連續(xù)測(cè)量D1點(diǎn)后第3個(gè)、第4個(gè)和第5個(gè)波峰的下降沿過零點(diǎn)時(shí)間。

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

圖5 特征點(diǎn)的選取

自適應(yīng)閾值法可以獲取當(dāng)前的臺(tái)階信號(hào),反映了回波信號(hào)各個(gè)波峰的大小,將各個(gè)臺(tái)階幅值A(chǔ)i(i=1,2,3…N,N為總臺(tái)階數(shù)量)與當(dāng)前測(cè)量設(shè)置的第一閾值Pre_Tv1進(jìn)行比較,判斷D1點(diǎn)所在位置。

當(dāng)?shù)谝婚撝翟诓ǚ?,2之間時(shí),若不進(jìn)行特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償,則特征點(diǎn)t2將會(huì)提前一個(gè)周期,在波峰5下降沿的過零點(diǎn)處,此時(shí)若要保證特征點(diǎn)一致則到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間應(yīng)調(diào)整為t1;當(dāng)?shù)谝婚撝翟诓ǚ?,4之間時(shí),若不進(jìn)行特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償,則特征點(diǎn)t2將會(huì)滯后一個(gè)周期,在波峰7下降沿的過零點(diǎn)處,此時(shí)若要保證特征點(diǎn)一致則到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間應(yīng)調(diào)整為t3。綜上所述,到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)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(diǎn)在不同波峰時(shí)也能得到相同位置的特征點(diǎn)D2,保證雙閾值法測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 溫度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中將基于時(shí)差法的超聲波流量計(jì)樣機(jī)干燥并密封放入高低溫濕熱試驗(yàn)箱,采用比例閾值法和自適應(yīng)閾值法在各溫度點(diǎn)穩(wěn)定40 min后進(jìn)行測(cè)量上下游的渡越時(shí)間并計(jì)算流量。溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7,當(dāng)超聲波流量計(jì)采用比例閾值法時(shí),溫度在-20 ℃～-10 ℃范圍內(nèi)流量計(jì)測(cè)量產(chǎn)生錯(cuò)誤,顯示流量約為50 m3/h,其他溫度下流量測(cè)量結(jié)果為0 m3/h;當(dāng)超聲波流量計(jì)采用自適應(yīng)閾值法時(shí),溫度在-30 ℃～50 ℃時(shí)的流量測(cè)量結(jié)果均為0 m3/h。溫度實(shí)驗(yàn)表明,溫度變化會(huì)導(dǎo)致比例閾值法確定的特征點(diǎn)不一致從而影響超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果;溫度變化對(duì)采用自適應(yīng)閾值法的超聲波流量計(jì)無影響。

圖6 溫度實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 壓力實(shí)驗(yàn)

為了研究壓力變化對(duì)回波信號(hào)各個(gè)臺(tái)階幅值影響進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn),如圖8為壓力實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)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(jì)測(cè)量罐內(nèi)壓力,其中采用壓力表YC-100,壓力計(jì)量程為0～2.5 MPa,精確度等級(jí)為1.6級(jí)。

圖8 壓力實(shí)驗(yàn)裝置

將壓力緩緩打到0.5 MPa,穩(wěn)定一段時(shí)間后再緩緩釋放壓力,利用臺(tái)階采集電路測(cè)量各個(gè)臺(tái)階的幅值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9,其中7號(hào)曲線為自適應(yīng)閾值法確定的第一閾值曲線,6號(hào)曲線為比例閾值法確定的第一閾值曲線,其余1號(hào)～5號(hào)曲線分別為各個(gè)臺(tái)階幅值變化曲線。通過分析壓力變化下回波信號(hào)各個(gè)臺(tái)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(hào)最大幅值有關(guān),當(dāng)壓力上升逐漸上升,回波信號(hào)接近飽和,比例閾值法的閾值也變化較小,但是其他臺(tái)階的幅值仍然變化,在一定壓力時(shí)比例閾值法的閾值會(huì)低于第一臺(tái)階的幅值,導(dǎo)致特征點(diǎn)不一致。但是自適應(yīng)閾值法的閾值始終在第一臺(tái)階幅值和第二臺(tái)階幅值之間,保證特征點(diǎn)的一致性。

圖9 壓力變化下各個(gè)臺(tái)階幅值變化曲線圖

3.3 流量實(shí)驗(yàn)

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

圖10 流量實(shí)驗(yàn)裝置

本文涉及的超聲波流量計(jì)要求精度等級(jí)為1級(jí),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(gè)流量計(jì)上進(jìn)行流量測(cè)試,根據(jù)超聲流量計(jì)檢定規(guī)程《JJG 1030-2007超聲流量計(jì)》要求在檢定過程中每次實(shí)際檢定流量與設(shè)定流量不能超過設(shè)定流量的±5%,每個(gè)流量點(diǎn)檢定次數(shù)不應(yīng)少于3次,因此流量實(shí)驗(yàn)中每個(gè)流量點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間30 s,測(cè)試時(shí)間60 s,每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)試3次,利用比例閾值法和利用自適應(yīng)閾值法的流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為表1和表2。

表1 比例閾值法各個(gè)流量點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 自適應(yīng)閾值法各個(gè)流量點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明,采用自適應(yīng)閾值法的超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果優(yōu)于采用比例閾值法的超聲波流量計(jì)的測(cè)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(cè)回波信號(hào)產(chǎn)生的臺(tái)階信號(hào),以較低的采樣頻率反映出當(dāng)前工況下回波信號(hào)的各個(gè)波峰峰值電壓,然后計(jì)算下次測(cè)量的第一閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法在變化的工況下具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力,能夠有效的提高測(cè)量準(zhǔn)確性。