摘要:针对气体超声流量计在测量中存在回波信号衰减大、波形易受工况影响的问题,提出了一种基于精度高时差的气体超声流量测量方法。该方法首先通过相似度评估回波信号,对回波信号特征点进行准确定位,进而获取飞行时间差的粗测量值,其次选取特定回波波形进行互相关法计算获得时差的细测量值,最后对两次测量结果相加得到精度高时差,从而实现精度高的流量测量。不同压力下的声速测量实验表明该方法在100kPa至500kPa范围内可准确测量飞行时间和时差。气体流量计样机的流量测量误差小于1%,重复性优于0.2%,并在大流量下与传统阈值法相比具有更高的正确率和更优的重复性。
气体超声流量计以结构简单、压损低、精度高、量程宽及易于维护等优点，成为天然气贸易中的重要流量仪表。目前气体超声流量计测量方法多采用时差法，该方法通过超声波在管道内顺、逆流传播的飞行时间及声速来计算流量。飞行时间测量常采用曲线拟合法、互相关法和阈值法,其中曲线拟合法计算过程比较复杂,而阈值法与互相关法的理论成熟,被广泛应用于气体超声流量测量中。阈值法通过定位回波信号的特征点来测量飞行时间,然而测量工况的变化会使特征点定位错误,导致测量结果误差偏大。对此基于回波信号峰值的比例阈值法,该方法通过回波峰值调整阈值来定位特征点以求得时差。基于分段流速的可变阈值法,通过在不同流速下设置不同阈值对特征点进行定位，进而求得时差。基于回波极值点的幅值对阈值进行调节的自适应阈值法,该方法使用当前工况下的回波极值点对阈值进行修正,进而准确定位特征点位置并得到时差。上述方法均根据不同的工况对阈值进行调整,以提高时差测量精度,但面对复杂的测量环境仍存在局限性。互相关法通过将顺、逆流回波信号进行互相关计算以得到时差值,可以解决由于波形变化引起的特征点定位错误问题。通过选取各换能器静态下的回波信号均值作为互相关计算的参考信号以提高测量结果的抗干扰能力。提出了使用实时动态参考波形.进行互相关计算的方法,有效解决了由环境因素导致相关性降低的问题,然而以上方法均存在计算量较大的问题。
针对阈值法与互相关法存在的问题,本文提出了基于相似度和互相关法的精度高时差测量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。该方法通过回波相似度评估,实现特征点的正确定位，并结合传输时差法与互相关法分别对时差进行粗、细两次测量,以提高其测量精度。
测量原理
1.1时差法基本原理
时差法超声流量计的测量原理如图1所示。超声换能器A,B分别安装在流量计管道的上下游位置,超声波从A传播到B为顺流时间,超声波从B传播到A为逆流时间，流体流量与顺、逆流时间差，的关系如式(1)所示:
式中:Q是管道中气体瞬时流量，D为管道直径,△t是时差,C为声速,α是信号传播路径与管道轴线的夹角。由式(1)可知,时差测量精度将直接影响气体超声流量计流量计算的精度。
1.2时差测量方案
时差测量方法的原理如图2所示。首先通过对采集的回波信号与参考信号进行相似度计算,获得回波特征点。其次通过特征点结合采样频率得到“粗”时差值;同时以特征点作为起始点来选取特定的波形数据,并将选取波形进行上采样处理，通过互相关运算得到“细”时差值,最终获得精度高时差测量结果。
2基于相似度的特征点定位
由于噪声干扰和测量环境会使回波信号的幅值发生变化，最终导致回波信号起始点定位错误。因此需在回波信号上找到一个稳定的特征点，如图3所示。该特征点与回波起始点之间时间恒定,通过特征点结合采样频率计算得到顺、逆流的两个特征飞行时间Tcharacter,将两者相减可抵消固定时延,从而得到传播时间差值。
目前广泛使用的特征点定位方法是双阈值法,其原理如图4所示。第一阈值线电压值约为0.35V,0V幅值线作为第二阈值用于定位到过零采样点,即回波特征点。在不同流量或工况下,回波信号的幅值特性会发生变化。此时若采用固定阈值来确定回波信号特征点，会造成飞行时间测量存在数个周期的误差。如图4所示，当环境压力从500kPa变化为101kPa时,原本通过第一阈值定位的第三个波形会错误地定位在第四个波形，上引起.测量误差。改进的阈值法结合不同的工况来对阈值进行调整,然而在复杂的测量环境下，这些方法依然存在一定局限性。
针对以上问题，本文采用基于相似度的回波特征点定位方法来获取特征点。首先通过0V幅值线获得回波信号的多个过零采样点，以作为“备选”特征点，即图5方框内采样点。随后将采集得到的回波信号峰值电压与标准工况下的峰值电压进行相似度计算,从而正确定位到回波特征点。
回波信号相似度评估选择标准工况下的参考回波信号I和实测回波信号J作为相似估计对象。参考信号第2,3,4峰值电压值与实测信号各个峰值电压值xi,xj为特征参数,参数数量n取3。通过计算,选取与参考回波信号欧氏距离最小的一组实测回波信号峰值,即实际回波信号的第2,3,4波峰值,将特征点准确定位到实际回波信号第2波后的过零点,即图5中点P2。
3精度高时差的测量
3.1粗时差测量
激励信号驱动超声换能器发射声波后,采样电路开始进行回波信号采集。超声波顺、逆流传播的飞行时间tui和tdi通过其对应采样点数n与采样间隔T的乘积表示,求得粗时差值,计算如式(3)所示:
式中:n1和n2分别为顺、逆流下回波信号特征点对应的采样点数。
3.2细时差测量
3.2.1波形选取与上采样处理
针对互相关计算过程中运算量较大的问题,选择回波信号特征点后三个周期的采样点作为待处理数据以降低运算量。具体信号如图6虚线方框内点所示。
对选取信号进行上采样处理来提高采样率。上采样处理包括数据的插值和低通滤波两个步骤。首先将采集到的数据量为N的原始信号x[n]中每两个采样点之间插人L-1个零值得到信号xu[n],如式(4)所示:
为了更好地观察信号处理前后的频率特性,通过式(5)、式(6)将信号x[n]、xu[n]转移到频域,如式(7)所示,并得到幅度谱图,如图7(a)、图7(b)所示。
对于因子为L的插零扩展,相较于图7(a),插值后的信号在基带_上有L-1个额外的原信号谱镜像产生。随后通过低通滤波滤除这L-1个镜像,等同于将内插样本值“填入”到xu[n]中的零样本，上，实现原采集信号x[n]的上采样处理。
设计的低通滤波器的频域表达为式(8):
当C=L时满足零初始条件,滤波器的频域表达如式(10)所示:
采样信号x[n]与经过L=20进行上采样处理后信号xu[n]的数据与幅度谱图如图8(a)和图8(b)所示,结果表明上采样处理后的信号采样率增大了20倍,同时处理后的数据曲线光滑,证明上采样处理符合预期效果。
3.2.2互相关计算
将顺、逆流回波信号的原始采样数据进行上采样处理得到xu(n)、yu(n)后,通过离散互相关运算式(11)得到互相关函数Rxy(m):
式中:m=(-N+1,N-1),N为回波数据的信号长度。如图9所示，互相关函数Rxy(m)的峰值B所对应的时间值即为两信号时差。为了进一步提高时差精度,选取互相关函数Rxy(m)中峰值处的三个最高点A、B、C进行曲线拟合以得到更精确的峰值D(max，ymax)。
通过式(12)得到xmax对应的细时差值△tcorr，其中T为采样间隔。
4系统实现
4.1硬件设计
采用MSP430F6638芯片作为核心控制单元,负责整个测量过程中时序和所属电路的控制。FPGA模块用以产生驱动电路的触发脉冲以及对采样数据进行实时获取与存储,如图10所示。包括两路激励电路、切换接收电路、回波信号处理电路(滤波放大电路、回波到达电路、峰值检测电路)和信号采样电路等。激励电路将触发脉冲进行推挽放大后输人到超声波换能器并使其发射超声波。回波信号接收后经过回波到达探测电路产生一个回波到达信号再输入到单片机。MSP430单片机通过内部AD对经过峰值检测电路的回波信号进行采集,获得回波的最大峰值。放大后的回波信号由FPGA配合高速AD以及RAM进行模数转换和数据存储,采集到的数据通过485通信电路传输到计算机进行数据处理。
电路采用的超声换能器中心频率为200kHz,驱动信号幅值为20V。采样电路中高速采集芯片选用AD9237-40,采样频率设定为5MHz。
4.2软件设计
软件设计包含MSP430程序和MATLAB程序两个部分，如图11所示。
MSP430程序流程如下所述。系统初上电后,MSP430F6638将对I0口、定时器及FPGA模块等各.个参数进行初始化并进人低功耗模式。定时器达到0.5s时,微处理器控制FPGA芯片产生激励信号输人到指定的发射换能器中。当单片机接收到回波到达信号后，,微控制器使能FPGA对处理后的回波信号进行采样并存储在FPGA的RAM中,同时开启单片机内部AD对回波最大峰值电压进行采集。随后，通过上位机通讯将采集到的回波数据传输到MATLAB程序。MATLAB程序首先根据回波相似度计算定位到回波信号的特征点，其次以特征点为基础结合采样频率和互相关法得到精度高的飞行时间差以及实时声速值，利用时差法计算式(1)得到瞬时流量值。
5实验验证
为评估方法法的有效性，采用压力实验验证时间差测量的稳定性,进而通过流量实验验证整体算法的精度。
5.1压力实验研究
装置如图12所示,包括氮气钢瓶和密封管路装置等。选择101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及500kPa五个压力点进行相关的压力。
采用本文的信号处理方法和基于TDC-GP22测量模块的传统双阈值法时差测量方法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)进行对比。由于在测量过程中时差值难以直观表示,而声速测量与时差测量均以飞行时间为基础,因此在各个压力下比较两种方法测量得到的声速值与理论声速值来间接验证测量的稳定性，结果如表1所示。
由表1可知,使用基于回波相似度进行特征点定位的方法测得的5个压力试验点下声速值均与理论声速吻合,最大误差仅为-0.13m/s。而传统双阈值法计算得到的声速在101.9kPa、203.2kPa及305.5kPa下与理论声速吻合，但在405.2kPa压力下与理论声速产生明显偏差,与此同时压力越大,偏差数值越大。而在509.5kPa下,声速测量值与理论声速差值高达7.89m/s。实验结果证明基于回波相似度的特征点定位信号处理方法能在不同压力下实现飞行时间差测量的正确率。
5.2流量实验研究
选用图13所示精度等级为0.25级的LQB-1000临界流文丘里音速喷嘴校准装置,采用管径为50mm的气体超声流量测量系统样机，流量范围为2m'/h~160m'/h。根据超声流量计检定规程《JJG1030-2007超声流量计》,选择分界流量点为16m2/h。各个流量检定点为Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和Qmax，每个流量点测量90s。将测量得到的流量值和标准装置的平均流量值进行比较,计算误差并进行三次实验来得到重复性。基于TDM-SC与TDM-DT两种方法的测量结果如表2所示。
表2数据表明，基于TDM-SC的气体超声流量测量系统测量误差小于1%,重复性优于0.2%,符合一级表的要求。同时在大流量下,方法依然能保持低于1%的测量误差和良好的重复性。
6结论
提出了基于精度高时差的气体超声流量测量方法,该方法通过回波相似度评估对回波特征点进行准确定位,在特征点基础上结合传输时间法与互相关法对时差进行粗、细两次测量以得到准确的时差值，最终实现精度高的流量测量。 结果表明,该方法在100kPa至500kPa的压力下能对时差进行准确测量。系统样机的流量测量精度满足1级精度的要求,并在大流量下测量误差和重复性优于传统双阈值法。
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