寶德流量計(jì)回波信號(hào)怎樣才算正常
    寶德流量計(jì)達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間, 從而計(jì)算渡越時(shí)間。相比于單閾值法, 雙閾值法一定程度上提高了流量計(jì)的準(zhǔn)確性, 然而超聲回波信號(hào)在傳播時(shí)易受到溫度、壓力以及換能器特性的影響, 導(dǎo)致雙閾值法在一定工況下特征點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。針對(duì)此問(wèn)題, 提出了一種自適應(yīng)的雙閾值方法并設(shè)計(jì)硬件電路。該方法可在較低的采樣頻率下獲得回波信號(hào)各個(gè)波峰幅值, 實(shí)時(shí)更新閾值, 判斷特征點(diǎn)是否一致并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償, 從而提高渡越時(shí)間的測(cè)量精度。終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)雙閾值法相比該方法具有較好的適應(yīng)性和計(jì)量特性。
    寶德流量計(jì)常用的測(cè)量方法有多普勒法, 互相關(guān)法和傳播速度差法等, 其中傳播速度差法又可以分為時(shí)差法、相位差法以及頻差法[1]。時(shí)差法在超聲波流量計(jì)中應(yīng)用廣泛, 該方法要求準(zhǔn)確測(cè)量超聲波在管道內(nèi)上下游傳播的渡越時(shí)間, 常用的渡越時(shí)間測(cè)量方法有互相關(guān)法、曲線擬合法和雙閾值法等?；ハ嚓P(guān)法的測(cè)量精度很大程度上依賴(lài)采樣頻率和信噪比[2], 因此提高采樣頻率可以提高互相關(guān)法測(cè)量渡越時(shí)間的精度。曲線擬合法一般采用遺傳算法或蟻群算法建立回波信號(hào)模型, 計(jì)算得到渡越時(shí)間[3], 但需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和較高的采樣頻率。雙閾值法通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)特征點(diǎn)的時(shí)間來(lái)確定渡越時(shí)間, 常見(jiàn)的雙閾值法有固定閾值法[4]和比例閾值法[5]。雙閾值法測(cè)量時(shí)所確定的特征點(diǎn)不一致會(huì)影響流量計(jì)的測(cè)量精度。因此文獻(xiàn)[6]提出了一種基于雙閾值的相似判斷法, 進(jìn)行回波信號(hào)波形采集, 通過(guò)小均方誤差判斷特征點(diǎn)一致性
    針對(duì)以上問(wèn)題, 本文在固定閾值法和比例閾值法的基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)閾值法, 設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路, 研究了閾值的設(shè)置方法和渡越時(shí)間的補(bǔ)償, 并通過(guò)溫度實(shí)驗(yàn), 壓力實(shí)驗(yàn)和流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性。
    1 回波處理的雙閾值法
    1.1 雙閾值法的原理
    為氣體超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖。如圖1 (b) 中的TAB為開(kāi)始激勵(lì)換能器S1點(diǎn)到接收到回波信號(hào)E1的時(shí)間, 稱(chēng)為渡越時(shí)間。
    通過(guò)選定一個(gè)幅值作為閾值, 過(guò)零點(diǎn)作為閾值, 則回波信號(hào)在D1點(diǎn)到達(dá)閾值, 將D1點(diǎn)后第1到達(dá)閾值的點(diǎn)記為D2點(diǎn), 即回波信號(hào)的特征點(diǎn)。測(cè)量S1點(diǎn)到D2的時(shí)間T:
    計(jì)算公式
    式 (1) 中TFEA為回波信號(hào)起始點(diǎn)到特征點(diǎn)的時(shí)間, 與回波信號(hào)起始點(diǎn)相差n個(gè)周期, 而回波信號(hào)的周期由換能器B的中心頻率決定。當(dāng)每測(cè)量特征點(diǎn)D2均在回波信號(hào)的同一位置時(shí)TFEA為常量, 根據(jù)式 (1) 可以得到渡越時(shí)間TAB:
    計(jì)算公式
    雙閾值法容易受到回波信號(hào)波形影響, 回波信號(hào)波形變化會(huì)造成閾值在回波信號(hào)上所確定的D1點(diǎn)不一致, 導(dǎo)致特征點(diǎn)D2變化, TFEA也會(huì)發(fā)生變化。
    回波信號(hào)可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合[7,8,9], 本文通過(guò)根據(jù)回波信號(hào)選擇混合指數(shù)模型[10]進(jìn)行擬合。該模型可表示為:
    江蘇華云流量計(jì)廠
    式 (3) 和式 (4) 中k為采樣點(diǎn)序號(hào);t為采樣周期;f為傳感器中心頻率;τ為回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間;A0為信號(hào)大幅值;m和T兩個(gè)參數(shù)與換能器性質(zhì)有關(guān);u (kt-τ) 為單位階躍函數(shù)。由式 (3) 和式 (4) 可以的出結(jié)論, 回波信號(hào)y (kt) 是關(guān)于x=[A0, τ, f, m, T]為自變量的函數(shù)。利用人工魚(yú)群算法[11,12]得到的擬合回波信號(hào)y (kt) 如圖2 (a) , 可以發(fā)現(xiàn)黑色虛線部分基本吻合實(shí)際回波信號(hào)。只改變參數(shù)m, T, 模擬實(shí)際情況下工況發(fā)生變化如圖2 (b) , 發(fā)現(xiàn)黑色虛線框部分發(fā)生改變, 即工況改變會(huì)影響回波信號(hào)的波形, 會(huì)影響雙閾值法的測(cè)量結(jié)果。
    由于工況變化會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)形狀發(fā)生變化, 本文提出的自適應(yīng)閾值法, 根據(jù)回波信號(hào)的波形實(shí)時(shí)調(diào)整閾值, 保證每測(cè)量的特征點(diǎn)一致, 具體的方法如下:
    峰值檢測(cè)電路可回波信號(hào)的臺(tái)階信號(hào)如圖3, 臺(tái)階信號(hào)反映了前半段回波信號(hào)的形狀, 通過(guò)臺(tái)階采集可以得到每一個(gè)臺(tái)階的幅值A(chǔ)i (i=1, 2, 3…N, N為總臺(tái)階數(shù)量) 。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前采集的臺(tái)階信號(hào)幅值, 可設(shè)置下一測(cè)量時(shí)的閾值Next_Tv1, 本文的閾值設(shè)置在臺(tái)階2和臺(tái)階3之間:
    如圖4為自適應(yīng)閾值法的電路框圖, 回波信號(hào)處理電路將微弱的回波信號(hào)進(jìn)行處理, 經(jīng)過(guò)放大濾波處理后, 輸出一個(gè)高信噪比、幅值較大的回波信號(hào)。利用峰值檢測(cè)電路得到回波的臺(tái)階信號(hào), 臺(tái)階信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波電路后由CPLD、AD以及高速RAM構(gòu)成臺(tái)階采集電路將各個(gè)臺(tái)階的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量, 并將臺(tái)階信號(hào)數(shù)字量傳遞給單片機(jī), 單片機(jī)利用內(nèi)部AD采集獲得回波信號(hào)的大幅值。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前臺(tái)階信號(hào)設(shè)置下一測(cè)量渡越時(shí)間的閾值。渡越時(shí)間測(cè)量電路采用TDC-GP22, 通過(guò)渡越時(shí)間測(cè)量電路則可以得到回波信號(hào)的渡越時(shí)間。
    寶德流量計(jì)的超聲波換能器中心頻率為200 k Hz左右, 所以根據(jù)采樣定理采樣頻率應(yīng)大于400 k Hz, 為了保證系統(tǒng)臺(tái)階識(shí)別的準(zhǔn)確性實(shí)際應(yīng)用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)階信號(hào)采集, 不需要采用較高的頻率采集回波信號(hào)波形以各個(gè)波峰幅值。
    寶德流量計(jì)特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償
    寶德流量計(jì)采用TDC-GP22可以連續(xù)測(cè)量D1點(diǎn)后第3個(gè)、第4個(gè)和第5個(gè)波峰的下降沿過(guò)零點(diǎn)時(shí)間。
    寶德流量計(jì)為正常情況下的回波信號(hào)和閾值, 其中閾值與回波信號(hào)第1相交在波峰2, 3之間, 得到D1點(diǎn), 則TDC-GP22可以分別測(cè)得波峰5、波峰6和波峰7的下降沿過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t3、t2和t1, 取波峰6的下降沿過(guò)零點(diǎn)作為特征點(diǎn)D2, 到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間T為t2。
    寶德流量計(jì)自適應(yīng)閾值法可以當(dāng)前的臺(tái)階信號(hào), 反映了回波信號(hào)各個(gè)波峰的大小, 將各個(gè)臺(tái)階幅值A(chǔ)i (i=1, 2, 3…N, N為總臺(tái)階數(shù)量) 與當(dāng)前測(cè)量設(shè)置的閾值Pre_Tv1進(jìn)行比較, 判斷D1點(diǎn)所在位置。
    當(dāng)閾值在波峰1, 2之間時(shí), 若不進(jìn)行特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償, 則特征點(diǎn)t2將會(huì)提前一個(gè)周期, 在波峰5下降沿的過(guò)零點(diǎn)處, 此時(shí)若要保證特征點(diǎn)一致則到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間應(yīng)調(diào)整為t1;當(dāng)閾值在波峰3, 4之間時(shí), 若不進(jìn)行特征點(diǎn)一致性補(bǔ)償, 則特征點(diǎn)t2將會(huì)滯后一個(gè)周期, 在波峰7下降沿的過(guò)零點(diǎn)處, 此時(shí)若要保證特征點(diǎn)一致則到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間應(yīng)調(diào)整為t3。綜上所述, 到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)間T應(yīng)根據(jù)閾值所在位置選取為: