馬 杰, 徐科軍, 江 圳, 張 倫, 徐浩然

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

1 引 言

氣體超聲波流量計具有量程比大、精度高、無壓損等諸多優(yōu)點,廣泛應用于大口徑管道的氣體流量測量[1～3]。氣體超聲波流量計的主要測量方法有時差法、多普勒效應法、相關法、傳播速度差法等。其中,時差法受溫度等各種影響因素較小,應用最為廣泛[4]。時差法的原理是通過測量超聲波信號在順、逆流中的傳播時間差來計算氣體流量[5]。但是,超聲波信號在氣體中傳播時能量衰減較大,并且,隨著氣體流速的增加,超聲波信號的傳播路徑會產生偏移。這種偏移將進一步導致回波信號能量的減弱,使得回波信號幅值減小,信噪比降低,易受噪聲等干擾[6]。因此,準確地定位回波信號是超聲波流量計信號處理的關鍵。為此,學者們進行了大量的研究工作,提出了多種信號處理方法。從回波信號幅值的角度,文獻[7]提出了基于固定閾值的信號處理方法。文獻[8]提出了基于可變閾值與過零檢測的信號處理方法。然而,隨著流量的增大,回波信號的峰值點波動劇烈,使得很難用一個固定的閾值兩個峰區(qū)分開,進而限制了該類方法的最大可測流量范圍。從回波信號輪廓的角度,文獻[9]分析了不同流量下回波信號輪廓的變化規(guī)律,提出了基于回波上升段峰值擬合的信號處理方法。文獻[10]進一步研究了回波信號的輪廓,提出了基于回波包絡擬合的信號處理方法。但是,該類方法選擇峰值點的方法較為復雜,導致算法的計算量較大,不利于系統(tǒng)的實時性。從回波信號能量角度,文獻[11]提出了基于能量變化率的信號處理方法。該方法步驟比較復雜;并且,需要提前設定閾值。文獻[12]提出了能量點定位的方法。該方法取得了較好的效果。

為了提高氣體超聲波流量計系統(tǒng)的實時性和量程比,分析了回波信號能量的變化規(guī)律,并結合回波能量信號輪廓的特征,人們提出了一種基于回波能量峰值點擬合的信號處理方法?；夭芰啃盘柕纳仙问鞘芗钚盘柕闹苯幼饔?且基本不存在反射聲波的影響。因此,該部分的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于下降段。隨著流量的增大,回波能量信號上升段的包絡線近似沿x軸平移[13]。其中,中間部分的包絡線斜率始終相對較大,且基本相同,該部分有多個峰值點近似分布在一條直線上。因此,可以擬合中間部分的多個峰值點構成一條直線,以該直線與x軸的交點作為特征點,從而計算超聲波的傳播時間。一方面,擬合多個峰值點能減小某一特定峰值點波動時帶來的測量誤差;另一方面,該擬合直線也符合回波能量信號上升段輪廓的實際變化規(guī)律。本文在基于FPGA和DSP的雙核心系統(tǒng)上實時實現該信號處理方法,并在國家認可的檢測機構進行標定實驗,驗證了信號處理方法和系統(tǒng)的有效性。

2 回波能量信號研究

2.1 回波能量信號輪廓分析

為了得到穩(wěn)定的特征點,從回波能量信號的角度出發(fā),根據回波信號的能量與其幅值的平方呈比例關系[14],對回波信號的幅值進行平方處理,用來表示回波信號的能量。采集流量為(0,200,400,600,800,1 000 m3/h)時的50組回波信號。對回波信號進行帶通濾波、幅值平方、求和取均值、歸一化等預處理后,得到最終的回波能量信號。利用MATLAB對回波能量信號的所有峰值點進行擬合,得到各流量回波能量包絡線,如圖1所示。

圖1 不同流量回波能量信號及其包絡線Fig.1 Echo energy signal and its envelope under different flow rates

由圖1可見,各流量下回波能量信號上升段的波形輪廓基本相同,且隨著流量的增大,近似沿著x軸向右平移。這是因為回波能量信號上升階段是受激勵換能器的發(fā)射聲波直接作用,基本不存在反射聲波等影響;同時,每次發(fā)射的激勵信號的幅值、數量、頻率、相位都相同,即每次發(fā)出的超聲波信號能量都相同[15]。因此,不同流量下回波信號的能量存在統(tǒng)一的變化規(guī)律,即在上升段起始部分,由于接收換能器剛接收到超聲波信號,因此能量較小,能量變化率呈現逐漸增大趨勢;上升段中間部分能量變化率趨于穩(wěn)定,能量近似呈線性增長,上升段結束部分由于能量趨于飽和,故增長速度也逐漸減小;當接收換能器完全接收超聲波信號后,能量到達最大值。隨后,能量出現不規(guī)則的衰減,并逐漸衰減為零。根據回波能量的變化規(guī)律可得:回波能量在增長過程中有一段穩(wěn)定增長的過程,該過程對應回波能量信號上升段包絡線中間近似一條直線的部分,因此,該部分包絡線相對比較穩(wěn)定;并且,此時回波信號的能量增長也相對比較穩(wěn)定。因此,可以將回波能量信號上升段中間部分的多個峰值點擬合成一條直線,將該直線與x軸的交點作為特征點。該直線既符合回波能量信號上升段中間部分輪廓的實際變化規(guī)律,以該直線與x軸的交點作為特征點也能有效地減小回波能量信號峰值點的波動對特征點的影響。

2.2 回波能量信號特征峰值點的確定

由第2.1節(jié)可得:回波能量信號上升段中間部分包絡線斜率近似相等;并且,在整個上升段是最大的。因此,可以連接回波能量信號上升段相鄰的峰值點并求得各連線的斜率,中間部分連線的斜率在整個上升階段連線的斜率中始終相對較大,將斜率較大的幾條連線作為特征直線,并以特征直線的右端點作為特征峰值點來擬合直線。本文通過流量為0 m3/h的回波能量信號為例,介紹選擇特征峰值點的具體步驟。

1) 對50組回波信號濾波、幅值平方、求和取均值、幅值歸一化處理。

2) 以最大峰值點為基準向前找到回波能量信號上升段的14個峰值點Pi(xi,yi),i=1,…,14,連接相鄰的峰值點,求得各連線的斜率Kj,j=1,…,13。

(1)

3) 將Kj進行比較,選擇較大的4個斜率Km、Kn、Kp、Kq(13≥m,n,p,q≥1),且,Km≥Kn≥Kp≥Kq,這4個斜率對應的直線作為特征直線。

4) 以每條特征直線的右端點pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1)為4個特征峰值點進行最小二乘擬合,如圖2所示。

2.3 回波能量信號特征點確定

針對回波能量信號找到的4個特征峰值點pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1),對特征峰值點pm+1、pn+1、pp+1、pq+1進行線性擬合,可得擬合直線y=Kx+B,K為擬合直線的斜率,B為擬合直線的截距。

(2)

(3)

2.4 抗干擾能力分析

如圖4所示,隨著流量的增大,回波能量信號上升段中間部分峰值點的幅值可能會有些許波動,從而使求得的特征峰值點的順序發(fā)生變化。但是,整個上升段的特征峰值點始終穩(wěn)定在中間區(qū)域,僅有幾組回波能量信號確定的特征峰值點出現了1～2個峰值點的偏差。此時,并非方法確定的特征峰值點不對,而是由于該信號處理方法確定的始終是斜率較大的4條特征直線,即確定的是更加近似分布在一條直線上的特征峰值點。因此,該方法在確定特征峰值點時將回波能量信號的波動也考慮進去,從而根據具體回波能量信號的波動情況選擇最佳的特征峰值點,而不是根據某一固定的閾值區(qū)間來確定特征峰值點。

圖4 800 m3/h流量下50組回波能量信號特征峰值點分布Fig.4 Distribution of characteristic peak points of 50 sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate

圖5為800 m3/h流量下相鄰2組回波能量信號求得的特征點示意圖,相鄰兩組回波信號求得的特征點僅相差7.3個采樣間隔,若按照某一固定閾值區(qū)間(包含回波能量信號1的特征峰值點)來確定回波能量信號2的特征峰值點,即如圖6所示,求得的2個特征點相差12.7個采樣間隔。由此可得,該信號處理方法對于回波能量信號峰值點的波動有一定的抑制作用,能根據回波能量信號的實際波形確定最佳的特征峰值點進行擬合,進而使求得的特征點更加穩(wěn)定。

圖5 本文方法流量為800 m3/h時2組回波能量信號特征點Fig.5 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by this method

圖6 固定閾值區(qū)間確定流量800 m3/h時2組回波能量信號特征點Fig.6 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by fixed threshold interval

3 系統(tǒng)硬件及軟件

3.1 硬件系統(tǒng)

整個硬件系統(tǒng)采用FPGA和DSP組成雙核心架構來實現信號的激勵和處理,充分發(fā)揮了DSP高速運算和FPGA并行邏輯控制的優(yōu)勢[16,17]。DSP主要負責數字信號處理,FPGA負責邏輯時序控制,兩者相互配合,共同完成流量的精確測量。整個硬件系統(tǒng)主要包括電源管理電路、DSP最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)、激勵、回波信號通道切換電路、激勵信號生成與放大電路、回波信號調理與采集電路以及流量管和發(fā)射、接收換能器。

3.2 軟件系統(tǒng)及工作過程

整個軟件系統(tǒng)包括DSP軟件系統(tǒng)和FPGA軟件系統(tǒng)。DSP主要負責向FPGA發(fā)送激勵起始信號、換能器通道的切換、回波信號的實時處理、與上位機通訊以及液晶顯示等功能。FPGA實現高速邏輯器件的有序切換,配合DSP主監(jiān)控程序合理有序地調用各個功能模塊,主要負責控制DAC模塊產生激勵信號,控制ADC模塊采集回波信號并將回波信號暫存在內部雙口RAM中以及向DSP發(fā)送轉存信號等功能。兩者協(xié)同工作,共同完成流量的測量。

具體工作過程為:系統(tǒng)上電后,DSP完成各個模塊的初始化,初始化完成后,向FPGA發(fā)送激勵起始信號,同時設置好換能器發(fā)射和接收通道。FPGA接收到信號后,立刻使能片內的延時模塊,并將內部ROM中存儲的正弦波形數據輸出至外部DAC模塊,生成激勵信號。激勵信號經過放大電路后到達相應的發(fā)射換能器,產生超聲波信號。超聲波信號在管道中經過一段渡越時間后到達接收換能器,形成回波信號?；夭ㄐ盘柦涍^放大調理電路后,FPGA控制外部ADC模塊以5 MHz的頻率進行采樣,采樣數據先存放到FPGA內部雙口RAM中。與此同時,DSP重復檢測定時器時間標志位是否為0,若為0,則等待FPGA完成采樣;若為1,則更新液晶顯示,與上位機通信,并將定時器時間標志位置0。采樣完成后,FPGA向DSP發(fā)送轉存信號,DSP接收到轉存信號后,將回波信號數據復制到內部RAM中,并調用本文的信號處理方法確定回波信號的特征點,從而計算出超聲波的傳播時間。循環(huán)四次上述過程后,得到超聲波信號在兩個聲道順、逆流情況下的傳播時間,即可計算出實時流量。

4 標定實驗

為了驗證氣體超聲波流量計系統(tǒng)以及所提出的信號處理方法的有效性,在安徽省計量科學研究院進行了實流標定實驗。標定設備為準確度0.33級的音速噴嘴,符合超聲流量計檢定規(guī)程中檢定一級精度氣體超聲流量計的要求。具體標定步驟為:

1) 安裝好被檢表后,將標定設備的流量設為 0 m3/h,對被檢表各個聲道的傳播時間進行計算,然后將各聲道的計算值與理論計算得到的傳播時間值相減,完成各個聲道傳播時間的修正。根據零流量下被檢表在一段時間內累積流量的輸出值獲得被檢表每秒的平均輸出誤差,完成零點修正。

2) 將標定設備的流量設置為400 m3/h,根據標定設備的脈沖系數K(標準脈沖系數設置為5 000脈沖/m3)與被檢表的脈沖系數之比,得到初步的被檢表系數F,設入被檢表程序中。

3) 再依次將標定設備的流量調至30,60,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 100,1 200 m3/h共14個流量點,得到各流量下被檢表的實際脈沖系數Ki,i=1,…,13,與標準脈沖系數進行比較,得到被檢表各實測流量點Qi的相對誤差ei:

(4)

根據各實測流量點Qi和各實測流量點對應的相對誤差ei,進行分段線性插值,得到被檢表在各個流量段內任意流量點Q對應的相對誤差e:

(5)

由各個流量段內任意流量點Q對應的相對誤差e,對被檢表的計算結果進行精確修正,得到修正后的流量值Ql:

Ql=Q-e×Q

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

最終標定結果如表1所示。氣體超聲流量計檢定規(guī)程對1級精度的氣體超聲流量計的要求為:流速不大于3 m/s(100 mm口徑約85 m3/h)時,示值誤差小于±2%,重復性小于0.4%;流速大于3 m/s時,示值誤差小于±1%,重復性小于0.2%[18]。由表1可知,氣體流量不大于85 m3/h時,最大示值誤差為-0.80%,最大重復性為0.19%;流量大于85 m3/h時,最大示值誤差為+0.05%,最大重復性為0.09%。標定結果表明:基于回波能量峰值點擬合的氣體超聲波流量計系統(tǒng)滿足檢定規(guī)程對1級精度氣體超聲波流量計的指標要求,該信號處理方法簡單易實現、計算量小,在滿足系統(tǒng)實時性的前提下將可測范圍提升至30～1 200 m3/h。

表1 基于回波能量峰值點擬合方法標定結果Tab.1 Calibration results based on echo energy peak fitting method

5 結 論

1) 研究了回波信號能量的變化規(guī)律,并結合回波能量信號的輪廓特征,得出回波能量信號上升段中間部分比較穩(wěn)定。該部分包絡線近似一條直線,且在整個上升段斜率是最大的,故通過連接上升段相鄰的峰值點并求得各連線斜率,以斜率相對較大的4條直線作為特征直線來確定擬合直線所需的特征峰值點。

2) 提出了一種基于回波能量峰值點擬合的信號處理方法,給出了確定特征點的詳細步驟。對方法的抗干擾能力進行分析,進一步驗證了該信號處理方法能根據回波能量信號的具體波形選擇最佳的特征峰值點進行擬合,進而提高了特征點的穩(wěn)定性。

3) 在基于FPGA和DSP的雙核心系統(tǒng)上,實時實現了該信號處理方法。在國家認可的檢測機構進行了實流標定實驗,實驗結果表明:基于回波能量峰值點擬合信號處理方法的雙聲道氣體超聲波流量計系統(tǒng)達到1級精度,可測流量范圍為30～1 200 m3/h,量程比提升至1:40。