寶德流量計回波信號怎樣才算正常
    寶德流量計達(dá)特征點時間, 從而計算渡越時間。相比于單閾值法, 雙閾值法一定程度上提高了流量計的準(zhǔn)確性, 然而超聲回波信號在傳播時易受到溫度、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產(chǎn)生錯誤判斷。針對此問題, 提出了一種自適應(yīng)的雙閾值方法并設(shè)計硬件電路。該方法可在較低的采樣頻率下獲得回波信號各個波峰幅值, 實時更新閾值, 判斷特征點是否一致并進行自動補償, 從而提高渡越時間的測量精度。終實驗結(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)性和計量特性。
    寶德流量計常用的測量方法有多普勒法, 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差法、相位差法以及頻差法[1]。時差法在超聲波流量計中應(yīng)用廣泛, 該方法要求準(zhǔn)確測量超聲波在管道內(nèi)上下游傳播的渡越時間, 常用的渡越時間測量方法有互相關(guān)法、曲線擬合法和雙閾值法等?；ハ嚓P(guān)法的測量精度很大程度上依賴采樣頻率和信噪比[2], 因此提高采樣頻率可以提高互相關(guān)法測量渡越時間的精度。曲線擬合法一般采用遺傳算法或蟻群算法建立回波信號模型, 計算得到渡越時間[3], 但需要較長的計算時間和較高的采樣頻率。雙閾值法通過測量回波信號特征點的時間來確定渡越時間, 常見的雙閾值法有固定閾值法[4]和比例閾值法[5]。雙閾值法測量時所確定的特征點不一致會影響流量計的測量精度。因此文獻[6]提出了一種基于雙閾值的相似判斷法, 進行回波信號波形采集, 通過小均方誤差判斷特征點一致性
    針對以上問題, 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)計了信號處理電路, 研究了閾值的設(shè)置方法和渡越時間的補償, 并通過溫度實驗, 壓力實驗和流量實驗驗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結(jié)構(gòu)圖。如圖1 (b) 中的TAB為開始激勵換能器S1點到接收到回波信號E1的時間, 稱為渡越時間。
    通過選定一個幅值作為閾值, 過零點作為閾值, 則回波信號在D1點到達(dá)閾值, 將D1點后第1到達(dá)閾值的點記為D2點, 即回波信號的特征點。測量S1點到D2的時間T:
    計算公式
    式 (1) 中TFEA為回波信號起始點到特征點的時間, 與回波信號起始點相差n個周期, 而回波信號的周期由換能器B的中心頻率決定。當(dāng)每測量特征點D2均在回波信號的同一位置時TFEA為常量, 根據(jù)式 (1) 可以得到渡越時間TAB:
    計算公式
    雙閾值法容易受到回波信號波形影響, 回波信號波形變化會造成閾值在回波信號上所確定的D1點不一致, 導(dǎo)致特征點D2變化, TFEA也會發(fā)生變化。
    回波信號可以通過建立數(shù)學(xué)模型進行擬合[7,8,9], 本文通過根據(jù)回波信號選擇混合指數(shù)模型[10]進行擬合。該模型可表示為:
    江蘇華云流量計廠
    式 (3) 和式 (4) 中k為采樣點序號;t為采樣周期;f為傳感器中心頻率;τ為回波信號到達(dá)時間;A0為信號大幅值;m和T兩個參數(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)。利用人工魚群算法[11,12]得到的擬合回波信號y (kt) 如圖2 (a) , 可以發(fā)現(xiàn)黑色虛線部分基本吻合實際回波信號。只改變參數(shù)m, T, 模擬實際情況下工況發(fā)生變化如圖2 (b) , 發(fā)現(xiàn)黑色虛線框部分發(fā)生改變, 即工況改變會影響回波信號的波形, 會影響雙閾值法的測量結(jié)果。
    由于工況變化會導(dǎo)致回波信號形狀發(fā)生變化, 本文提出的自適應(yīng)閾值法, 根據(jù)回波信號的波形實時調(diào)整閾值, 保證每測量的特征點一致, 具體的方法如下:
    峰值檢測電路可回波信號的臺階信號如圖3, 臺階信號反映了前半段回波信號的形狀, 通過臺階采集可以得到每一個臺階的幅值A(chǔ)i (i=1, 2, 3…N, N為總臺階數(shù)量) 。單片機根據(jù)當(dāng)前采集的臺階信號幅值, 可設(shè)置下一測量時的閾值Next_Tv1, 本文的閾值設(shè)置在臺階2和臺階3之間:
    如圖4為自適應(yīng)閾值法的電路框圖, 回波信號處理電路將微弱的回波信號進行處理, 經(jīng)過放大濾波處理后, 輸出一個高信噪比、幅值較大的回波信號。利用峰值檢測電路得到回波的臺階信號, 臺階信號經(jīng)過高通濾波電路后由CPLD、AD以及高速RAM構(gòu)成臺階采集電路將各個臺階的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量, 并將臺階信號數(shù)字量傳遞給單片機, 單片機利用內(nèi)部AD采集獲得回波信號的大幅值。單片機根據(jù)當(dāng)前臺階信號設(shè)置下一測量渡越時間的閾值。渡越時間測量電路采用TDC-GP22, 通過渡越時間測量電路則可以得到回波信號的渡越時間。
    寶德流量計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)臺階識別的準(zhǔn)確性實際應(yīng)用中AD采樣頻率大于1 MHz即可實現(xiàn)臺階信號采集, 不需要采用較高的頻率采集回波信號波形以各個波峰幅值。
    寶德流量計特征點一致性補償
    寶德流量計采用TDC-GP22可以連續(xù)測量D1點后第3個、第4個和第5個波峰的下降沿過零點時間。
    寶德流量計為正常情況下的回波信號和閾值, 其中閾值與回波信號第1相交在波峰2, 3之間, 得到D1點, 則TDC-GP22可以分別測得波峰5、波峰6和波峰7的下降沿過零點時間t3、t2和t1, 取波峰6的下降沿過零點作為特征點D2, 到達(dá)特征點時間T為t2。
    寶德流量計自適應(yīng)閾值法可以當(dāng)前的臺階信號, 反映了回波信號各個波峰的大小, 將各個臺階幅值A(chǔ)i (i=1, 2, 3…N, N為總臺階數(shù)量) 與當(dāng)前測量設(shè)置的閾值Pre_Tv1進行比較, 判斷D1點所在位置。
    當(dāng)閾值在波峰1, 2之間時, 若不進行特征點一致性補償, 則特征點t2將會提前一個周期, 在波峰5下降沿的過零點處, 此時若要保證特征點一致則到達(dá)特征點時間應(yīng)調(diào)整為t1;當(dāng)閾值在波峰3, 4之間時, 若不進行特征點一致性補償, 則特征點t2將會滯后一個周期, 在波峰7下降沿的過零點處, 此時若要保證特征點一致則到達(dá)特征點時間應(yīng)調(diào)整為t3。綜上所述, 到達(dá)特征點時間T應(yīng)根據(jù)閾值所在位置選取為: