基于超声回波能量峰值点拟合的气体超声波流量计信号处理方法

2022-07-12徐科军徐浩然

计量学报 2022年5期

马杰, 徐科军, 江圳, 张伦, 徐浩然

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)

1 引言

气体超声波流量计具有量程比大、精度高、无压损等诸多优点,广泛应用于大口径管道的气体流量测量[1～3]。气体超声波流量计的主要测量方法有时差法、多普勒效应法、相关法、传播速度差法等。其中,时差法受温度等各种影响因素较小,应用最为广泛[4]。时差法的原理是通过测量超声波信号在顺、逆流中的传播时间差来计算气体流量[5]。但是,超声波信号在气体中传播时能量衰减较大,并且,随着气体流速的增加,超声波信号的传播路径会产生偏移。这种偏移将进一步导致回波信号能量的减弱,使得回波信号幅值减小,信噪比降低,易受噪声等干扰[6]。因此,准确地定位回波信号是超声波流量计信号处理的关键。为此,学者们进行了大量的研究工作,提出了多种信号处理方法。从回波信号幅值的角度,文献[7]提出了基于固定阈值的信号处理方法。文献[8]提出了基于可变阈值与过零检测的信号处理方法。然而,随着流量的增大,回波信号的峰值点波动剧烈,使得很难用一个固定的阈值两个峰区分开,进而限制了该类方法的最大可测流量范围。从回波信号轮廓的角度,文献[9]分析了不同流量下回波信号轮廓的变化规律,提出了基于回波上升段峰值拟合的信号处理方法。文献[10]进一步研究了回波信号的轮廓,提出了基于回波包络拟合的信号处理方法。但是,该类方法选择峰值点的方法较为复杂,导致算法的计算量较大,不利于系统的实时性。从回波信号能量角度,文献[11]提出了基于能量变化率的信号处理方法。该方法步骤比较复杂;并且,需要提前设定阈值。文献[12]提出了能量点定位的方法。该方法取得了较好的效果。

为了提高气体超声波流量计系统的实时性和量程比,分析了回波信号能量的变化规律,并结合回波能量信号轮廓的特征,人们提出了一种基于回波能量峰值点拟合的信号处理方法。回波能量信号的上升段是受激励信号的直接作用,且基本不存在反射声波的影响。因此,该部分的稳定性明显优于下降段。随着流量的增大,回波能量信号上升段的包络线近似沿x轴平移[13]。其中,中间部分的包络线斜率始终相对较大,且基本相同,该部分有多个峰值点近似分布在一条直线上。因此,可以拟合中间部分的多个峰值点构成一条直线,以该直线与x轴的交点作为特征点,从而计算超声波的传播时间。一方面,拟合多个峰值点能减小某一特定峰值点波动时带来的测量误差;另一方面,该拟合直线也符合回波能量信号上升段轮廓的实际变化规律。本文在基于FPGA和DSP的双核心系统上实时实现该信号处理方法,并在国家认可的检测机构进行标定实验,验证了信号处理方法和系统的有效性。

2 回波能量信号研究

2.1 回波能量信号轮廓分析

为了得到稳定的特征点,从回波能量信号的角度出发,根据回波信号的能量与其幅值的平方呈比例关系[14],对回波信号的幅值进行平方处理,用来表示回波信号的能量。采集流量为(0,200,400,600,800,1 000 m3/h)时的50组回波信号。对回波信号进行带通滤波、幅值平方、求和取均值、归一化等预处理后,得到最终的回波能量信号。利用MATLAB对回波能量信号的所有峰值点进行拟合,得到各流量回波能量包络线,如图1所示。

图1 不同流量回波能量信号及其包络线Fig.1 Echo energy signal and its envelope under different flow rates

由图1可见,各流量下回波能量信号上升段的波形轮廓基本相同,且随着流量的增大,近似沿着x轴向右平移。这是因为回波能量信号上升阶段是受激励换能器的发射声波直接作用,基本不存在反射声波等影响;同时,每次发射的激励信号的幅值、数量、频率、相位都相同,即每次发出的超声波信号能量都相同[15]。因此,不同流量下回波信号的能量存在统一的变化规律,即在上升段起始部分,由于接收换能器刚接收到超声波信号,因此能量较小,能量变化率呈现逐渐增大趋势;上升段中间部分能量变化率趋于稳定,能量近似呈线性增长,上升段结束部分由于能量趋于饱和,故增长速度也逐渐减小;当接收换能器完全接收超声波信号后,能量到达最大值。随后,能量出现不规则的衰减,并逐渐衰减为零。根据回波能量的变化规律可得:回波能量在增长过程中有一段稳定增长的过程,该过程对应回波能量信号上升段包络线中间近似一条直线的部分,因此,该部分包络线相对比较稳定;并且,此时回波信号的能量增长也相对比较稳定。因此,可以将回波能量信号上升段中间部分的多个峰值点拟合成一条直线,将该直线与x轴的交点作为特征点。该直线既符合回波能量信号上升段中间部分轮廓的实际变化规律,以该直线与x轴的交点作为特征点也能有效地减小回波能量信号峰值点的波动对特征点的影响。

2.2 回波能量信号特征峰值点的确定

由第2.1节可得:回波能量信号上升段中间部分包络线斜率近似相等;并且,在整个上升段是最大的。因此,可以连接回波能量信号上升段相邻的峰值点并求得各连线的斜率,中间部分连线的斜率在整个上升阶段连线的斜率中始终相对较大,将斜率较大的几条连线作为特征直线,并以特征直线的右端点作为特征峰值点来拟合直线。本文通过流量为0 m3/h的回波能量信号为例,介绍选择特征峰值点的具体步骤。

1) 对50组回波信号滤波、幅值平方、求和取均值、幅值归一化处理。

2) 以最大峰值点为基准向前找到回波能量信号上升段的14个峰值点Pi(xi,yi),i=1,…,14,连接相邻的峰值点,求得各连线的斜率Kj,j=1,…,13。

(1)

3) 将Kj进行比较,选择较大的4个斜率Km、Kn、Kp、Kq(13≥m,n,p,q≥1),且,Km≥Kn≥Kp≥Kq,这4个斜率对应的直线作为特征直线。

4) 以每条特征直线的右端点pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1)为4个特征峰值点进行最小二乘拟合,如图2所示。

2.3 回波能量信号特征点确定

针对回波能量信号找到的4个特征峰值点pm+1(xm+1,ym+1)、pn+1(xn+1,yn+1)、pp+1(xp+1,yp+1)、pq+1(xq+1,yq+1),对特征峰值点pm+1、pn+1、pp+1、pq+1进行线性拟合,可得拟合直线y=Kx+B,K为拟合直线的斜率,B为拟合直线的截距。

(2)

(3)

2.4 抗干扰能力分析

如图4所示,随着流量的增大,回波能量信号上升段中间部分峰值点的幅值可能会有些许波动,从而使求得的特征峰值点的顺序发生变化。但是,整个上升段的特征峰值点始终稳定在中间区域,仅有几组回波能量信号确定的特征峰值点出现了1～2个峰值点的偏差。此时,并非方法确定的特征峰值点不对,而是由于该信号处理方法确定的始终是斜率较大的4条特征直线,即确定的是更加近似分布在一条直线上的特征峰值点。因此,该方法在确定特征峰值点时将回波能量信号的波动也考虑进去,从而根据具体回波能量信号的波动情况选择最佳的特征峰值点,而不是根据某一固定的阈值区间来确定特征峰值点。

图4 800 m3/h流量下50组回波能量信号特征峰值点分布Fig.4 Distribution of characteristic peak points of 50 sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate

图5为800 m3/h流量下相邻2组回波能量信号求得的特征点示意图,相邻两组回波信号求得的特征点仅相差7.3个采样间隔,若按照某一固定阈值区间(包含回波能量信号1的特征峰值点)来确定回波能量信号2的特征峰值点,即如图6所示,求得的2个特征点相差12.7个采样间隔。由此可得,该信号处理方法对于回波能量信号峰值点的波动有一定的抑制作用,能根据回波能量信号的实际波形确定最佳的特征峰值点进行拟合,进而使求得的特征点更加稳定。

图5 本文方法流量为800 m3/h时2组回波能量信号特征点Fig.5 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by this method

图6 固定阈值区间确定流量800 m3/h时2组回波能量信号特征点Fig.6 The feature points of two sets of echo energy signals under 800 m3/h flow rate determined by fixed threshold interval

3 系统硬件及软件

3.1 硬件系统

整个硬件系统采用FPGA和DSP组成双核心架构来实现信号的激励和处理,充分发挥了DSP高速运算和FPGA并行逻辑控制的优势[16,17]。DSP主要负责数字信号处理,FPGA负责逻辑时序控制,两者相互配合,共同完成流量的精确测量。整个硬件系统主要包括电源管理电路、DSP最小系统、FPGA最小系统、激励、回波信号通道切换电路、激励信号生成与放大电路、回波信号调理与采集电路以及流量管和发射、接收换能器。

3.2 软件系统及工作过程

整个软件系统包括DSP软件系统和FPGA软件系统。DSP主要负责向FPGA发送激励起始信号、换能器通道的切换、回波信号的实时处理、与上位机通讯以及液晶显示等功能。FPGA实现高速逻辑器件的有序切换,配合DSP主监控程序合理有序地调用各个功能模块,主要负责控制DAC模块产生激励信号,控制ADC模块采集回波信号并将回波信号暂存在内部双口RAM中以及向DSP发送转存信号等功能。两者协同工作,共同完成流量的测量。

具体工作过程为:系统上电后,DSP完成各个模块的初始化,初始化完成后,向FPGA发送激励起始信号,同时设置好换能器发射和接收通道。FPGA接收到信号后,立刻使能片内的延时模块,并将内部ROM中存储的正弦波形数据输出至外部DAC模块,生成激励信号。激励信号经过放大电路后到达相应的发射换能器,产生超声波信号。超声波信号在管道中经过一段渡越时间后到达接收换能器,形成回波信号。回波信号经过放大调理电路后,FPGA控制外部ADC模块以5 MHz的频率进行采样,采样数据先存放到FPGA内部双口RAM中。与此同时,DSP重复检测定时器时间标志位是否为0,若为0,则等待FPGA完成采样;若为1,则更新液晶显示,与上位机通信,并将定时器时间标志位置0。采样完成后,FPGA向DSP发送转存信号,DSP接收到转存信号后,将回波信号数据复制到内部RAM中,并调用本文的信号处理方法确定回波信号的特征点,从而计算出超声波的传播时间。循环四次上述过程后,得到超声波信号在两个声道顺、逆流情况下的传播时间,即可计算出实时流量。

4 标定实验

为了验证气体超声波流量计系统以及所提出的信号处理方法的有效性,在安徽省计量科学研究院进行了实流标定实验。标定设备为准确度0.33级的音速喷嘴,符合超声流量计检定规程中检定一级精度气体超声流量计的要求。具体标定步骤为:

1) 安装好被检表后,将标定设备的流量设为 0 m3/h,对被检表各个声道的传播时间进行计算,然后将各声道的计算值与理论计算得到的传播时间值相减,完成各个声道传播时间的修正。根据零流量下被检表在一段时间内累积流量的输出值获得被检表每秒的平均输出误差,完成零点修正。

2) 将标定设备的流量设置为400 m3/h,根据标定设备的脉冲系数K(标准脉冲系数设置为5 000脉冲/m3)与被检表的脉冲系数之比,得到初步的被检表系数F,设入被检表程序中。

3) 再依次将标定设备的流量调至30,60,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 100,1 200 m3/h共14个流量点,得到各流量下被检表的实际脉冲系数Ki,i=1,…,13,与标准脉冲系数进行比较,得到被检表各实测流量点Qi的相对误差ei:

(4)

根据各实测流量点Qi和各实测流量点对应的相对误差ei,进行分段线性插值,得到被检表在各个流量段内任意流量点Q对应的相对误差e:

(5)

由各个流量段内任意流量点Q对应的相对误差e,对被检表的计算结果进行精确修正,得到修正后的流量值Ql:

Ql=Q-e×Q

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

最终标定结果如表1所示。气体超声流量计检定规程对1级精度的气体超声流量计的要求为:流速不大于3 m/s(100 mm口径约85 m3/h)时,示值误差小于±2%,重复性小于0.4%;流速大于3 m/s时,示值误差小于±1%,重复性小于0.2%[18]。由表1可知,气体流量不大于85 m3/h时,最大示值误差为-0.80%,最大重复性为0.19%;流量大于85 m3/h时,最大示值误差为+0.05%,最大重复性为0.09%。标定结果表明:基于回波能量峰值点拟合的气体超声波流量计系统满足检定规程对1级精度气体超声波流量计的指标要求,该信号处理方法简单易实现、计算量小,在满足系统实时性的前提下将可测范围提升至30～1 200 m3/h。