气体超声流量计回波信号的自适应阈值法研究*

时间：2024-05-22

章涛,赵伟国*,章圣意

(1.中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018;2.浙江苍南仪表集团股份有限公司,浙江苍南 325800)

气体超声波流量计常用的测量方法有多普勒法,互相关法和传播速度差法等,其中传播速度差法又可以分为时差法、相位差法以及频差法[1]。时差法在超声波流量计中应用广泛,该方法要求准确测量超声波在管道内上下游传播的渡越时间,常用的渡越时间测量方法有互相关法、曲线拟合法和双阈值法等。互相关法的测量精度很大程度上依赖采样频率和信噪比[2],因此提高采样频率可以提高互相关法测量渡越时间的精度。曲线拟合法一般采用遗传算法或蚁群算法建立回波信号模型,计算得到渡越时间[3],但需要较长的计算时间和较高的采样频率。双阈值法通过测量回波信号特征点的时间来确定渡越时间,常见的双阈值法有固定阈值法[4]和比例阈值法[5]。双阈值法测量时所确定的特征点不一致会影响流量计的测量精度。因此文献[6]提出了一种基于双阈值的相似判断法,进行回波信号波形采集,通过最小均方误差判断特征点一致性[6]。

针对以上问题,本文在固定阈值法和比例阈值法的基础上提出了一种自适应阈值法,设计了信号处理电路,研究了第一阈值的设置方法和渡越时间的补偿,并通过温度实验,压力实验和流量实验验证了该方法的合理性。

1 回波处理的双阈值法

1.1 双阈值法的原理

如图1(a)为气体超声波流量计结构图。如图1(b)中的TAB为开始激励换能器S1点到接收到回波信号E1的时间,称为渡越时间。

通过选定一个幅值作为第一阈值,过零点作为第二阈值,则回波信号在D1点首次到达第一阈值,将D1点后第1次到达第二阈值的点记为D2点,即回波信号的特征点。测量S1点到D2的时间T:

T=TAB+TFEA

(1)

式(1)中TFEA为回波信号起始点到特征点的时间,与回波信号起始点相差n个周期,而回波信号的周期由换能器B的中心频率决定。当每次测量特征点D2均在回波信号的同一位置时TFEA为常量,根据式(1)可以得到渡越时间TAB:

TAB=T-TFEA

(2)

图1 双阈值法测量渡越时间示意图

1.2 双阈值法测量渡越时间的影响因素

双阈值法容易受到回波信号波形影响,回波信号波形变化会造成第一阈值在回波信号上所确定的D1点不一致,导致特征点D2变化,TFEA也会发生变化。

回波信号可以通过建立数学模型进行拟合[7-9],本文通过根据回波信号选择混合指数模型[10]进行拟合。该模型可表示为:

y(kt)=A(kt)sin[2πf(kt-τ)]

(3)

(4)

式(3)和式(4)中k为采样点序号;t为采样周期;f为传感器中心频率;τ为回波信号到达时间;A0为信号最大幅值;m和T两个参数与换能器性质有关;u(kt-τ)为单位阶跃函数。由式(3)和式(4)可以的出结论,回波信号y(kt)是关于x=[A0,τ,f,m,T]为自变量的函数。利用人工鱼群算法[11-12]得到的拟合回波信号y(kt)如图2(a),可以发现黑色虚线部分基本吻合实际回波信号。只改变参数m,T,模拟实际情况下工况发生变化如图2(b),发现黑色虚线框部分发生改变,即工况改变会影响回波信号的波形,会影响双阈值法的测量结果。

图2 拟合回波信号曲线图

2 自适应阈值法

2.1 自适应阈值法原理

由于工况变化会导致回波信号形状发生变化,本文提出的自适应阈值法,根据回波信号的波形实时调整第一阈值,保证每次测量的特征点一致,具体的方法如下:

峰值检测电路可获取回波信号的台阶信号如图3,台阶信号反映了前半段回波信号的形状,通过台阶采集可以得到每一个台阶的幅值Ai(i=1,2,3…N,N为总台阶数量)。单片机根据当前采集的台阶信号幅值,可设置下一次测量时的第一阈值Next_Tv1,本文的第一阈值设置在台阶2和台阶3之间:

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Next_Tv1=(A2+A3)/2

(5)

图3 台阶信号图

2.2 硬件电路

如图4为自适应阈值法的电路框图,回波信号处理电路将微弱的回波信号进行处理,经过放大滤波处理后,输出一个高信噪比、幅值较大的回波信号。利用峰值检测电路得到回波的台阶信号,台阶信号经过高通滤波电路后由CPLD、AD以及高速RAM构成台阶采集电路将各个台阶的模拟量转化为数字量,并将台阶信号数字量传递给单片机,单片机利用内部AD采集获得回波信号的最大幅值。单片机根据当前台阶信号设置下一次测量渡越时间的第一阈值。渡越时间测量电路采用TDC-GP22,通过渡越时间测量电路则可以得到回波信号的渡越时间。

电路采用的超声波换能器中心频率为200 kHz左右,所以根据采样定理采样频率应大于400 kHz,为了保证系统台阶识别的准确性实际应用中AD采样频率大于1 MHz即可实现台阶信号采集,不需要采用较高的频率采集回波信号波形以获取各个波峰幅值。

图4 硬件电路框图

2.3 特征点一致性补偿

时间测量电路采用TDC-GP22可以连续测量D1点后第3个、第4个和第5个波峰的下降沿过零点时间。

如图5所示为正常情况下的回波信号和第一阈值,其中第一阈值与回波信号第1次相交在波峰2,3之间,得到D1点,则TDC-GP22可以分别测得波峰5、波峰6和波峰7的下降沿过零点时间t3、t2和t1,取波峰6的下降沿过零点作为特征点D2,到达特征点时间T为t2。

图5 特征点的选取

自适应阈值法可以获取当前的台阶信号,反映了回波信号各个波峰的大小,将各个台阶幅值Ai(i=1,2,3…N,N为总台阶数量)与当前测量设置的第一阈值Pre_Tv1进行比较,判断D1点所在位置。

当第一阈值在波峰1,2之间时,若不进行特征点一致性补偿,则特征点t2将会提前一个周期,在波峰5下降沿的过零点处,此时若要保证特征点一致则到达特征点时间应调整为t1;当第一阈值在波峰3,4之间时,若不进行特征点一致性补偿,则特征点t2将会滞后一个周期,在波峰7下降沿的过零点处,此时若要保证特征点一致则到达特征点时间应调整为t3。综上所述,到达特征点时间T应根据第一阈值所在位置选取为:

(6)

因此当D1点在不同波峰时也能得到相同位置的特征点D2,保证双阈值法测量的准确性。

3 实验研究

3.1 温度实验

实验中将基于时差法的超声波流量计样机干燥并密封放入高低温湿热试验箱,采用比例阈值法和自适应阈值法在各温度点稳定40 min后进行测量上下游的渡越时间并计算流量。温度实验结果如图7,当超声波流量计采用比例阈值法时,温度在-20 ℃～-10 ℃范围内流量计测量产生错误,显示流量约为50 m3/h,其他温度下流量测量结果为0 m3/h;当超声波流量计采用自适应阈值法时,温度在-30 ℃～50 ℃时的流量测量结果均为0 m3/h。温度实验表明,温度变化会导致比例阈值法确定的特征点不一致从而影响超声波流量计的测量结果;温度变化对采用自适应阈值法的超声波流量计无影响。

图6 温度实验装置

图7 温度实验结果

3.2 压力实验

为了研究压力变化对回波信号各个台阶幅值影响进行压力实验,如图8为压力实验装置实物图,罐体密封侧边可以安装超声波换能器并密封,利用压力计测量罐内压力,其中采用压力表YC-100,压力计量程为0～2.5 MPa,精确度等级为1.6级。

图8 压力实验装置

将压力缓缓打到0.5 MPa,稳定一段时间后再缓缓释放压力,利用台阶采集电路测量各个台阶的幅值。实验结果如图9,其中7号曲线为自适应阈值法确定的第一阈值曲线,6号曲线为比例阈值法确定的第一阈值曲线,其余1号～5号曲线分别为各个台阶幅值变化曲线。通过分析压力变化下回波信号各个台阶幅值的变化曲线以及两种方法的阈值曲线可以发现:由于比例阈值法的阈值与回波信号最大幅值有关,当压力上升逐渐上升,回波信号接近饱和,比例阈值法的阈值也变化较小,但是其他台阶的幅值仍然变化,在一定压力时比例阈值法的阈值会低于第一台阶的幅值,导致特征点不一致。但是自适应阈值法的阈值始终在第一台阶幅值和第二台阶幅值之间,保证特征点的一致性。

图9 压力变化下各个台阶幅值变化曲线图

3.3 流量实验

如图10(a)和图10(b)分别为浙江苍南仪表集团有限公司气体标定实验室的标准表法气体流量标准装置实物图和结构示意图,装置流量标定范围为0.5 m3/h～2 000 m3/h,不确定度为0.25%,以下流量实验结果均在该装置上完成。

图10 流量实验装置

本文涉及的超声波流量计要求精度等级为1级,管径为50 mm,量程范围为2.0 m3/h～160 m3/h,将比例阈值法和自适应阈值法应用在同一个流量计上进行流量测试,根据超声流量计检定规程《JJG 1030-2007超声流量计》要求在检定过程中每次实际检定流量与设定流量不能超过设定流量的±5%,每个流量点检定次数不应少于3次,因此流量实验中每个流量点稳定时间30 s,测试时间60 s,每个流量点测试3次,利用比例阈值法和利用自适应阈值法的流量实验结果分为表1和表2。

表1 比例阈值法各个流量点实验结果

表2 自适应阈值法各个流量点实验结果

结果表明,采用自适应阈值法的超声波流量计的测量结果优于采用比例阈值法的超声波流量计的测量结果。