王飛 官龍騰 張福春 黃躍峰 李勇平

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所1,上海 201800;中國科學(xué)院大學(xué)2,北京 100049;中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室3,上海 201800)

數(shù)字式時差法超聲流量計的設(shè)計與實現(xiàn)

王飛1,2官龍騰1,2張福春1,3黃躍峰1,3李勇平1,3

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所1,上海 201800;中國科學(xué)院大學(xué)2,北京 100049;中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室3,上海 201800)

基于時差法原理,采用數(shù)字化方案設(shè)計實現(xiàn)了一種超聲波流量計。系統(tǒng)以TMS320F28335數(shù)字信號控制器(DSC)為核心,擴展ADS807流水線ADC實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集,模擬前端實現(xiàn)超聲發(fā)射、接收信號調(diào)理。DSC軟件算法通過互相關(guān)及擬合算法求解順逆流傳播時間差,希爾伯特變換與小波變換結(jié)合確定渡越時間,在此基礎(chǔ)上計算流量。經(jīng)過流量實測證明,設(shè)計的超聲流量計充分發(fā)揮了數(shù)字化方案的優(yōu)勢,較好地完成了流量測量工作。

時差法 超聲流量 數(shù)字信號控制器 互相關(guān) 渡越時間

0 引言

目前,超聲波流量計根據(jù)測量原理的不同,大致可分為傳播速度差法(時間差法、相位差法、頻差法)、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等類型。其中,時間差法超聲波流量計具有準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定的特點,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下大多數(shù)清潔均勻流體流量的測量。

時間差法的基本原理是:超聲換能器順逆流交替發(fā)送、接收超聲信號,由于流體的流動超聲信號順流傳播時間會小于其逆流傳播時間,通過順逆流傳播時間及其時間差異可以獲取流速、流量等信息[1-2]。

本文基于時間差法原理,采用數(shù)字化方案設(shè)計實現(xiàn)了一種超聲波流量計。具體介紹了設(shè)計所采用的流量計算模型以及信號處理算法,并以TMS320F28335為核心實現(xiàn)了整個測量過程的控制和信號處理算法。

1 原理介紹

測量原理說明如圖1所示。

圖1 測量原理圖Fig.1 Illustration of the measuring principle

順逆流換能器以Z法對射式外夾在管壁上,路徑1為流體靜止情況超聲傳播路徑,路徑2為順流超聲傳播路徑。超聲傳播路徑上的流體線平均流速為v,超聲在流體中的傳播時間為tfl,于是有波束偏移:

路徑1、2傳播時間差:

式中:cs為聲楔聲速;θ為聲楔角度。

從而得到順逆流傳播時間差:

進而得到超聲傳播路徑上的流體線平均流速:

將v乘以流體力學(xué)校正因子Kf,得到沿管道截面的平均流速。最終,流量計算公式為:

式中:A為管道橫截面積。

2 硬件設(shè)計

超聲波流量計由超聲波換能器、電子學(xué)系統(tǒng)組成,硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖Fig.2 Block diagram of the hardware

超聲波換能器是實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的器件,設(shè)計采用壓電超聲換能器,中心頻率為2 MHz。直接面向超聲換能器的模擬前端實現(xiàn)順逆流換能器的激勵、接收信號調(diào)理。由于實際工況下傳播介質(zhì)對超聲的衰減不同,為了將接收信號穩(wěn)定在一定的幅度范圍里,采用閉環(huán)增益控制,通過采樣計算調(diào)節(jié)放大器增益。模擬前端對目標(biāo)信號應(yīng)有足夠的放大能力,其對干擾的抑制能力也是一個重要考量,可采用平衡差分發(fā)射、平衡差分接收電路。

數(shù)字部分核心器件采用TI公司的TMS320F28335 DSC,其具有豐富的片上資源和軟件資源支持,既能完成對測量過程的控制,又能勝任復(fù)雜的信號處理運算。由于數(shù)字信號控制器(DSC)兼具微控制器(MCU)的功能和數(shù)字信號處理器(DSP)的處理能力,將其作為控制和計算的核心,是一種高度集成、高性能、高可靠性的解決方案。

高速數(shù)據(jù)采集部分采用ADS807,這是一款12 bit、最高采樣率53 MS/s的高速流水線ADC,將其接在DSC的XINTF上,實際工作采樣率25 MS/s,采樣間隔40 ns。數(shù)據(jù)采集流程:DSC的ePWM1產(chǎn)生25 MHz占空比50%的方波作為ADC的輸入時鐘,產(chǎn)生PWM波的同時產(chǎn)生EPWM1SOCA事件觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)傳輸,通過XINTF讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到DSC片內(nèi)RAM[3-4]。

人機接口部分,通過XINTF擴展TFT LCD,用于設(shè)置參數(shù)交互、測量參數(shù)顯示、接收波形顯示。鍵盤掃描芯片CH452負責(zé)鍵盤事務(wù),處理用戶輸入。

3 算法及實現(xiàn)

3.1 窗口技術(shù)

將發(fā)射時刻、順逆流信號到達時刻在同一根時間軸上用實心圓標(biāo)示,其示意圖如圖3所示。虛線圓表示不受流體流動影響即流體靜止情況下的超聲信號到達時刻,聲路計算過程中稱之為預(yù)計到時tE,Δt為順逆流傳播時間差。

圖3 窗口技術(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the window technology

超聲信號傳播遵循斯涅耳定律,儀器根據(jù)管道參數(shù)換能器參數(shù)、流體參數(shù)、聲程數(shù)推導(dǎo)出聲路,給出換能器的安裝距離,計算出預(yù)計到時tE。再根據(jù)最大流速計算Δt的最大值,即超聲信號可能的最早、最晚到時,進而確定出信號窗口位置,并留有一定裕量,只在窗口位置進行接收信號的采集。窗口技術(shù)減小了數(shù)據(jù)采集處理開銷,避免了窗外信號對測量的影響,還可以檢驗參數(shù)設(shè)置、換能器安裝是否正確。

3.2 時差算法

將采集的順逆流波形疊加顯示如圖4所示。

圖4 順逆流波形Fig.4 Downstream and upstream waveforms

從圖4可以看出,兩路波形在時間上有先后差異,這種差異和流速成正比。時差算法本質(zhì)上是為了求解具有相似性的兩路波形在時間上的差異,這里采用互相關(guān)法,將順逆流波形作互相關(guān),互相關(guān)函數(shù)峰值位置所對應(yīng)的時間位移即順逆流傳播時間差Δt。

3.2.1 互相關(guān)

數(shù)字域中信號x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)定義為:

當(dāng)m為正、負值時,互相關(guān)函數(shù)值分別對應(yīng)x(n)保持不動,將y(n)左移、右移m個時間間隔后兩個序列對應(yīng)相乘再相加的結(jié)果,反映了不同時延下兩信號的相似程度。實際中數(shù)據(jù)長度N常為有限值,則求rxy(m)估計值的一種方法是:

直接從時域計算互相關(guān),計算量較大,特別是當(dāng)N、m比較大時。根據(jù)維納-辛欽定理,互相關(guān)函數(shù)與互功率譜是一對傅里葉變換對,利用FFT從頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)快速計算[5],計算步驟如下。

①xN(n)補N個零,yN(n)補N個零,通過FFT得X2N(k)、Y2N(k);

圖5 互相關(guān)計算結(jié)果示意圖Fig.5 Result of cross-correlation calculation

3.2.2 互相關(guān)擬合

數(shù)字域中直接通過互相關(guān)峰確定時間差的準(zhǔn)確度與采樣率有關(guān),采樣率越高,采樣間隔越小,準(zhǔn)確度越高,誤差越小。然而過高的硬采樣率會增加系統(tǒng)的開銷,卻不能帶來性能上質(zhì)的提升。相比之下,可以通過軟件算法上數(shù)據(jù)插值、數(shù)據(jù)擬合的方法來逼近[6-7]。本文的做法是,首先對順逆流原始數(shù)據(jù)插值以提高采樣率,進而計算互相關(guān)得到離散互相關(guān)函數(shù)峰值位置作為粗定位結(jié)果。然后以離散互相關(guān)函數(shù)峰值位置為中心,在其左右各取5個點作最小二乘法二次曲線擬合,計算出二次曲線對稱軸位置,得到其與中心位置的偏差作為細定位結(jié)果。最后將粗定位結(jié)果與細定位結(jié)果相加,達到對互相關(guān)函數(shù)峰值位置的一個較好逼近,再乘以采樣間隔得到最終的時差計算結(jié)果。上述擬合過程如圖6所示。

圖6 互相關(guān)擬合過程Fig.6 Cross-correlation and fitting

3.3 渡越時間

順流到時tD,逆流到時tU,順逆流到時取平均得平均傳播時間,對應(yīng)于流體靜止情況下的傳播路徑。該路徑下的預(yù)計到時與實測傳播時間的比值還可以作為一個診斷參數(shù)判斷流量計是否工作正常。超聲信號平均傳播時間減去超聲在聲楔中的傳播時間、管壁中的傳播時間,即得到超聲在流體中的傳播時間tfl。

運用小波的奇異點定位功能,采用希爾伯特變換與小波變換結(jié)合確定渡越時間。由于超聲接收信號的近似光滑性,直接利用小波定位效果不好,通過希爾伯特變換將信號轉(zhuǎn)換成可用于小波奇異點定位的信號,再使用小波變換進行定位[8-10]。

對原始信號進行希爾伯特變換得到解析信號,解析信號的模乘以相角得到轉(zhuǎn)換信號,如圖7所示。轉(zhuǎn)換信號的突變周期與原始信號周期相同,突變點恰是原始信號的局部極小值點。用小波檢測出突變點,進而確定信號到達時刻。

運用雙正交樣條小波對轉(zhuǎn)換信號進行小波分解,將尺度為4的小波系數(shù)與原始信號疊加,如圖8所示。由圖8可見,小波系數(shù)明顯體現(xiàn)出轉(zhuǎn)變信號突變點的位置,即原始信號局部極小值點位置。找到滿足信號周期約束第一個極小值點,向前移3/4個信號周期在小范圍內(nèi)通過擬合方式確定出信號過零點作為到達時刻,計算得出渡越時間,進而求得tfl。

圖7 希爾伯特變換轉(zhuǎn)換信號Fig.7 Hilbert transform conversion signal

圖8 信號到達時刻確定Fig.8 Determination of the arrival time

除了本文介紹的方法,還可以采用互相關(guān)、功率統(tǒng)計等多種信號處理方法、在多個域中對信號進行處理確定超聲信號到達時刻[10]。

3.4 實現(xiàn)優(yōu)化

①實現(xiàn)上使用了來自TMS320C28x FPU Library的支持。該算法庫是TI公司針對C28x+FPU開發(fā)的高度優(yōu)化的函數(shù)庫,效率極高。它主要包含F(xiàn)FT等信號處理常用運算,使得程序員能最大限度地發(fā)揮C28x+FPU的計算處理能力。

②TMS320F28335具有片內(nèi)Flash,然而150 MHz主頻時片內(nèi)Flash指令執(zhí)行速度僅為90～95 MI/s,相比之下片內(nèi)RAM的指令執(zhí)行速度為150 MI/s。于是,上電將關(guān)鍵代碼拷貝到DSC片內(nèi)RAM中,加快執(zhí)行速度。

4 試驗結(jié)果

流量檢定在水流量標(biāo)定平臺上進行,管道內(nèi)徑50 mm,試驗介質(zhì)為清水。檢定過程設(shè)置5個流量點,每個流量點重復(fù)檢定6次,瞬時體積流量結(jié)果如表1所示。

表1 檢定結(jié)果Tab.1 Test results

從檢定結(jié)果可以看出,方案設(shè)計較好地完成了流量測量工作,且測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性、重復(fù)性。

5 結(jié)束語

本文研究了時間差法超聲流量測量,并采用TMS320F28335實現(xiàn)了一種數(shù)字化超聲流量測量方案。根據(jù)時差法流量測量的基本原理,推導(dǎo)了所采用的流量計算模型,研究并實現(xiàn)了時間差算法、渡越時間算法等關(guān)鍵算法。根據(jù)流量測量的需求,對系統(tǒng)的總體架構(gòu)、軟硬件進行了設(shè)計,給出了相應(yīng)的實現(xiàn)方案。經(jīng)過系統(tǒng)測試和流量實測證明,方案具有較高可行性,為后續(xù)的研究、開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

[1] 馮若.超聲手冊[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999.

[2] 同濟大學(xué)聲學(xué)研究室.超聲工業(yè)測量技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1977.

[3] 李文.基于DSP的超聲波流量計的設(shè)計[D].濟南:山東科技大學(xué),2011.

[4] 張文磊.基于TMS320F28335的超聲波流量計[D].濟南:山東科技大學(xué),2011.

[5] 胡廣書.數(shù)字信號處理[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2003. [6]龔艷.基于MSP430F1611超聲互相關(guān)流量計方案優(yōu)化[D].北京:北京大學(xué),2009.

[7] 桂永芳.相關(guān)法超聲波流量計二次儀表的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2009.

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Design and Implementation of the Digital Transit-time Ultrasonic Flowmeter

Based on principle of propagation time difference,the digital transit time ultrasonic flowmeter is implemented by adopting digitized design strategy.The system is composed of the digital signal controller(DSC)TMS320F28335 as the kernel,and ADS807 pipelined A/D converter as the high speed data acquisition device,the ultrasonic signal transmitting and conditioning of receiving signal are performed by analog front end(AFE).The difference of propagation time of the ultrasonic signal upon upstream and downstream in the fluid is solving through cross correlation and fitting algorithms in the software,the combination of Hilbert transform and wavelet transform is determining the propagation time,then the flow rate is calculated on this basis.The practical tests verify that this ultrasonic flowmeter gives full play of the superiority of digitized strategy,and well accomplishes the job for flow measurement.

Transit-time method Ultrasonic flow Digital signal controller Cross-correlation Propagation time

TH814

A

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項基金資助項目(編號:XDA02010300)。

修改稿收到日期:2014-03-04。

王飛(1989-),男,現(xiàn)為中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所信號與信息處理專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事超聲流量測量的研究。