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互相关算法在气体超声波流量计中的应用

时间:2018/03/27来源:未知

 流量是现代工业领域中重要检测参数,通过对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础.流量、温度、压力是热工计量***重要的三大检测参数.目前,超声波流量计广泛地应用于日常生活、商业贸易、工业流量计量等领域.按照超声波流量计的应用环境分为,民用超声波流量计、商业超声波流量计、工业超声波流量计。

  相关法流量测量技术是一种传统的应用于流量测量的方法,利用相关函数理论分析实现对流体流量的实时检测.相关法测量的原理主要是通过两个信号的互相关函数计算,通过计算其波形峰值所对应的渡越时间得到时间差进而求出流体流量.目前,相关法的测量理论在流量计的应用中较为成熟,且应用亦较为广泛.另外,市场上销售的大多数超声波流量计都采用时差法的原理设计而成.针对当前在大口径流量下,
气体超声波流量计测量精度低和测量稳定性差的问题,提出了一种基于互相关法的波形定位算法.以此算法设计了以STM32为核心控制器,基于时差法和互相关波形定位算法的大口径气体超声流量计,使得大流量下气体流量计量的精度得到了很大提升

1、时差法超声波流量计的工作原理:
  时差法测量原理是根据超声波在流体中的传播速度与流体的速度存在一定的关系,根据测得的超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间,推导出流体的流速进而计算出流体流量[2].其工作原理示意图如图1.
图1 流量计工作原理示意图

图1 流量计工作原理示意图
  超声波换能器 A 为顺流换能器,B为逆流超声波换能器,相对于管道轴线的安装角度为α,管径为 D,两个换能器之间的距 离为 L,流体流速为v.
  超声波在流体中的实际流速u为声速c 和声道反方向v 上的矢量和u=c±vcosα. (1)根据图1,当换能器 A 作为发射端,换能器 B作为接受端时,顺流时间计算公式Dsinαc+vcosα. (2)当换能器 B作为发射端,换能器 A 作为接受端时,逆流时间计算公式t2 =Dsinαc-vcosα.
(3)由公式(2)和(3),可求得顺逆流时间差 Δt:Δt=t2 -t1 =2vDcosαsinα(c2-v2cos2α).
(4)由于超声波的传播速度远大于流体的速度,故(4)式可化简为Δt=2vDc2tanα.
(5)由公式(5)可得出,流速与顺逆流时间差呈线性关系,据此可计算出流速v为v=c2tanα2DΔt.
(6)上面得到的是流体线速度,根据管径截面积和流量修正系数就可以获得流体面平均速度和体积流量[3].

2、系统硬件设计硬件系统:
  采用STM32F407作为核心控制芯片,与上一代 Cortex M3产品相比[4],增加了硬件FPU 单元以及 DSP指令,同时,STM32F407的主频也 提 高 了 很 多,*** 高 可 达 168 MHz(可 获 得210DMIPS的处理能力),这使得 STM32F407尤其适用于需要浮点运算或 DSP处理的应用,进行复杂的浮点运算.同时,STM32F407具有1M 的Flash存储空间,192kB的 SRAM,112个I/O 管脚,3个 AD 转换器.通信方面支撑 SPI等通讯协议,片上资源非常丰富,完全满足设计需求.系统硬件设计框图如图2,STM32F407通过SPI 接 口 与 TDC_GP22 进 行 通 信[5], 由TDC_GP22通 过 内 部 的 脉 冲 发 生 器 发 出 5 个200kHz的激励信号并且触发 START 计时开始信号.超波激励信号通过波形整形电路进行滤波,然后进行功率放大,再通过一个模拟多路开关来选择超声波换能器的发射端与接收端,把功率放大信号发送给超声波换能器发射端,激励换能器发出超声波信号.接收端接收超声波信号,接收的信号依次通过放大电路,带通滤波器和阀值比较电路后,送至 TDC_GP22,使其产生 STOP 信号.通过 STOP信号与 START 信号时间差得到TDC_GP22 测 量 时 间. 高 精 度 计 时 芯 片TDC_GP22在一次测量中可以得到三个测量 时间值.
  同时,控制芯片STM32F407通过 ADC 模块对经过带通滤波器的信号进行采样,ADC 采样数据可直接通过DMA方式存入到指定的SRAM 区中,STM32对采集回来的数据进行互相关算法,给 出 时 间 偏 移 量 τ.根 据 高 精 度 计 时 芯 片TDC_GP22的三个测量时间值以及参考通过互相关算法得到的时间偏移量τ,得到测量时间t1.同理,通过模拟多路开关对调超声波换能器发射端与接收端,得到测量时间t2.通过测得的两次顺流时间与逆流时间,可以得到两次测量的时间差 Δt,进而计算出流速、流量等信息.将流量信息通过液晶屏进行显示,并通过 RS485通信方式与上位机进行通信[6]。
图2  系统硬件设计框图
图2  系统硬件设计框图

3、系统App设计与算法处理:
3.1、系统App设计:

  采用美国 Keil Software企业开发的 MDK作为App开发平台,系统程序采用 C 语言的编写方式,运用 ST 企业提供的 STM32F4固件库编写.代码实行效率高,移植性强的特点[7].系统程序的流程图如图3.系统上电以后,首先对 STM32F407的 各 个模块进行初始化,然后通过 SPI与 TDC_GP22进行通信,进行寄存器配置.对回波信号进行 AGC调整,
对信号进行数据采集,然后进行互相关算法处理,给出偏移量.结合 TDC_GP22计算出的时间差,***后确定出的时间差进而得到流体的流速和流量[8].
3.2、互相关波形匹配:
  算法互相关波形匹配算法是用静态下超声波的波形作为参考信号,将测量信号与参考信号做归一化处理后,运用互相关函数,通过***佳相似点的匹配,来读取时间偏移量.这里的归一化处理,不是简单的数据归一化而是指幅值的归一化调节,就是把参考信号的幅值与测量信号的幅值调节在同一个范围内.
图3  系统程序流程图
图3  系统程序流程图
  测量信号与参考信号做归一化处理方法为,由于参考信号的幅值比测量信号的幅值要大.在幅值处理时,是把参考信号的幅值进行等比例缩小.主要方法为Pout(i)= Pin(i)(MaxP- MinP)(MaxS- MinS). (7)其中:式(7)中Pout(i)为参考信号输出;Pin(i)参考信号输入;MaxP 参考信号***大值;MinP 参考信号***小值;MaxS 采样信号***大值;MinS 采样信号***小值.通过,这种幅值的调整大家就可以对测量信号与参考信号进行互相关算法匹配.
  另外,在采样波中很可能出现噪声信号幅值高于信号波的幅值,大家在App程序中采用了循环检测的程序,可以很好的消除噪声信号幅值高于信号波幅值的现象.互相关波形匹配算法流程图如图4[9].
图4  互相关法流程图

图4  互相关法流程图
  基于互相关波形匹配算法的原理是根据互相关函数改进而来,截取静态流量下超声波探头接收端接收到的组信号x(t)作为参考信号,有气体流 动 状 态 下 接 收 到 的 信 号 为y(t),则 信 号x(t)和y(t)是两个仅在时间上延迟的波形相近的信号,它们的互相关函数Rxy(τ)可表示为Rxy(τ)=limT→∞1T∫T0x(t-τ)y(t)dt. (8)当互相关函数取得***大值时,
即为通道波形的***相似点,如图5.若系统采样频率为f,互相关函数在点 N 处取得***大值,则两通道的时差τ为τ=Nf. (9)同理,通过上述方式可求出反方向的时差τ1
图5  相关函数示意图

图5  相关函数示意图

4、仿真及实验研究:
4.1、互相关法算法仿真:

  大家在 MatlabApp中,进行互相关算法的仿真.利用互相关波形匹配进行时差法的测量,首先预存静态下的参考波形,如图 6,STM32F407 的ADC采集模块在气体静止状态下采集的超声波波形图.从图中可以看出大家选取360个点作为采样点,由于大家进行波形匹配时主要看波形峰值前后波形匹配情况.同时,为了程序快速完成算法匹配参考波形一般选取180个点.黑点选取在静态下超声波第二个波峰后的水平位置为参考点(130,1 073).截取静态下固定的偏移长度作为参考信号[10],如图7.以气体流速30m3/h顺流方向为例简述一下,互相关算法匹配过程.在气体超声波流量计检定装置中设定气体流速为30m3/h,通过STM32F407的ADC采集模块读取气体流速为30m3/h时顺流方向一段超声波测量信号,将参考信号与测量信号进行归一化处理,
如图8,将参考信号与测量信号进行互相关性检测,仿真结果如图9.
图6  静态下的超声波信号图7  参考信号图8  气体流速为30m3/h时顺流方向波形匹配过程Figure 8 Waveform matching process of thedownstream direction at gas flow rate of 30m3/
图9  气体流速为30m3/h时顺流方向波形匹配结果
图9  气体流速为30m3/h时顺流方向波形匹配结果

 由波形匹配图可以看出,在气体流速为顺流30m3/h时,参考信号与测量信号能大致重合匹配.另外,互相关算法匹配采用的是面积匹配的方法,当重合的面积基本完全时则基本说明完成了波形匹配.由于气体流速的影响,导致超声波在有气体流动与静态相比,在水平方向上有偏移量,如表1.
表1  气体流速为30m3/h仿真数据表

表1  气体流速为30m3/h仿真数据表
 根据表1,在气体流量为30m3/h顺流时,超声波向 前 偏 移 点 的 个 数 N = 3.由 于 控 制 芯 片STM32F407的系统采样频率为f=2.4MHz,根据公式(9)可以得出时间偏移量τ= N/f =125μs.然后,在根据 TDC_GP22测量的3个时间值来选择一个与互相关算法得到的偏移量相近的时间值.


4.2、互相关法的抗干扰性:
  大口径工业气体超声波流量计接收到的回波信号与小口径超声波流量计相比,存在更多的噪声,并且波形更容易产生抖动,给地计量带来了很大的困难[11].如图10,是含有高频噪声信号的超声波,噪声信号会随机的出现在整个信号传递的过程中.这种噪声的产生是一种不可避免的现象,互相关波形匹配算法可以很好的解决这种由噪声带来的测量误差.由于互相关波形匹配算法主要根据面积进行匹配,在匹配的过程中根据参考信号波形与测量信号波形重合面积来判断匹配是否完成.出现的噪声,只是对于波形的某个点的幅值有影响;但是,对与参考信号波形与测量信号波形的面积匹配程度没有影响。
图10 带噪声的超声波信号图11 带噪声的超声波信号匹配结果
图10 带噪声的超声波信号图11 带噪声的超声波信号匹配结果
  从图11中可以看出带有高频的干扰信号并未影响到互相关匹配的计算,***大相关区域对应的时间轴位置不变,参考点的位置没有改变.即渡越时间计算结果与无噪声情况相同.可以看出,互相关算法 在 抗 干 扰 能 力 方 面 有 很 大 的 优 点.在高频信 噪 比 情 况 下 依 然 能 实 现 高 精 度 时 差 测量,具有很强的抗干扰性,可 以完美的 应 用在超声波流量计研究中提高气体超 声 波流量计 的测量精度.
5、结语:
  采用 STM32F407 作为主控芯片,提高了系统的运算速度,保证了对信号的实时运算,它丰富的片上外设资源完全满足气体超声波流量计的设计需求.同时,运用互相关波形匹配算法提高了气体超声波流量计的测量精度和抗干扰能力.仿真结果表明,互相关算法在气体流量测量中能够完成波形匹配定位提高系统的测量精度.

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