基于歸一化LMS濾波校正的液位測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳作鵬 吳明生 張 成 魏家叁 趙 紅

（甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)聚銀公司）

基于核輻射法［1］液位測量原理設(shè)計(jì)了一種液位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32［2］為控制核心，利用放射性同位素在衰變過程中產(chǎn)生的γ射線， 射線穿過液體前后強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。 系統(tǒng)測量穿過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度，進(jìn)而得出液位高度。 采用HART總線［3］HT1200M芯片對信號進(jìn)行傳輸與接收，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測量；通過歸一化LMS濾波算法［4，5］進(jìn)行權(quán)矢量［6］迭代、權(quán)系數(shù)［7］更新，并對測得的結(jié)果進(jìn)行濾波處理，以提高液位計(jì)的測量精度。

1 測量系統(tǒng)

1.1 核輻射法測量原理

射線透過液體后的強(qiáng)度與液體高度成反比，即液體越高強(qiáng)度越低，假設(shè)入射強(qiáng)度為H0，其強(qiáng)度衰減關(guān)系為：

式中 H——衰減后的射線強(qiáng)度；

H0——原始射線強(qiáng)度；

T——液體高度；

μ——介質(zhì)對放射線的吸收系數(shù)。

1.2 系統(tǒng)框架

核輻射法液位測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 液位測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

射線探頭接收發(fā)射源發(fā)射的穿過介質(zhì)后的射線，通過STM32進(jìn)行捕獲，把捕獲到的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成液位高度，微處理器將當(dāng)前結(jié)果進(jìn)行歸一化LMS濾波后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的4～20mA電流傳送到HART總線。對控制系統(tǒng)從HART總線接收的數(shù)據(jù)分析后來控制電動(dòng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)料。

2 硬件

2.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用STM32處理器捕獲脈沖信號以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

脈沖接收電路接收穿過液體的射線，上位機(jī)顯示操作界面，HART通信模塊作為儀表與外部信息交換的接口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

2.2 HART通信模塊

HART通信模塊對系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的電流信號進(jìn)行傳輸，并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信的關(guān)鍵。 系統(tǒng)的HART通信模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 HART通信模塊結(jié)構(gòu)

STM32 通過通用串行收發(fā)模塊UART 與HT1200M通信，在系統(tǒng)的調(diào)試過程中可以通過手操器進(jìn)行設(shè)置與修改。

3 軟件

3.1 總體流程

系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖信號的捕捉、計(jì)數(shù)及統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果等功能， 具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

射線接收器輸出的脈沖被STM32捕獲后進(jìn)行計(jì)數(shù)， 測量系統(tǒng)經(jīng)過歸一化LMS濾波算法后，顯示、讀取計(jì)數(shù)，從而計(jì)算液位高度與相關(guān)參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)去噪

在工業(yè)現(xiàn)場，液位計(jì)的安裝位置受到罐體位置的影響，射線在穿透過程中會(huì)受到液位計(jì)自身結(jié)構(gòu)的阻擋導(dǎo)致測量誤差較大。 筆者采用歸一化LMS濾波算法進(jìn)行液位校正， 減小由罐體結(jié)構(gòu)和液位計(jì)自身結(jié)構(gòu)阻擋帶來的誤差。

歸一化LMS算法利用可變的收斂因子μk讓收斂速度更快，具體公式如下：

式中 e（k）——誤差；

w（k）——濾波器權(quán)矢量；

x（k）——濾波器輸入；

Δw（k）——濾波器權(quán)矢量增量。

在歸一化過程中μk的選取通過對瞬時(shí)平方誤差e2（k）進(jìn)行簡單估計(jì)實(shí)現(xiàn)。 e2（k）的計(jì)算式如下：

e2（k）=d2（k）+wT（k）x（k）xT（k）-2d（k）wT（k）x（k） （3）

式中 d（k）——期望響應(yīng)；

e2（k）——平方誤差。

于是有：

圖5 LMS自適應(yīng)濾波原理

圖5中有：

自適應(yīng)濾波過程為使E［H2（k）］最小。 均方誤差E［H2（k）］最小等價(jià)于式（7）第2項(xiàng)值最小，即：

在自適應(yīng)LMS準(zhǔn)則下，E［（S（k）-Y（k））2］最小，系統(tǒng)輸出信號T（k）為最佳估計(jì)，最大程度減小了噪聲的影響，從而提高了測量精度。

4 數(shù)據(jù)測試與誤差分析

為了驗(yàn)證液位測量系統(tǒng)的測量精確度，采用規(guī)則矩形儲液罐體進(jìn)行數(shù)據(jù)測試， 對LMS濾波算法校正前、后標(biāo)準(zhǔn)值與測量值液位進(jìn)行對比。 在有噪聲干擾環(huán)境狀況下， 連續(xù)測量液位數(shù)據(jù)15組，測量結(jié)果見表1。 校正前測量液位最小誤差為7.30mm，最小相對誤差為1.05%，與液位測量系統(tǒng)固有缺陷（即噪聲干擾）一致；校正后液位最大誤差為4.20mm，最大相對誤差為0.53%。

表1 LMS濾波算法校正前、后液位測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一套新的液位測量系統(tǒng)，在原輻射法測量液位原理的基礎(chǔ)上加入了歸一化LMS濾波算法以降低工業(yè)環(huán)境中測量液位的誤差，該系統(tǒng)可以對工業(yè)環(huán)境中高溫高壓介質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，誤差較小，符合工業(yè)環(huán)境對液體介質(zhì)測量的精確度要求，能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用并提高自動(dòng)化程度。