數(shù)字式時(shí)差法超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王飛 官龍騰 張福春 黃躍峰 李勇平

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所1,上海 201800;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2,北京 100049;中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3,上海 201800)

數(shù)字式時(shí)差法超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王飛1,2官龍騰1,2張福春1,3黃躍峰1,3李勇平1,3

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所1,上海 201800;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2,北京 100049;中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3,上海 201800)

基于時(shí)差法原理,采用數(shù)字化方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種超聲波流量計(jì)。系統(tǒng)以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)為核心,擴(kuò)展ADS807流水線ADC實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集,模擬前端實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射、接收信號(hào)調(diào)理。DSC軟件算法通過(guò)互相關(guān)及擬合算法求解順逆流傳播時(shí)間差,希爾伯特變換與小波變換結(jié)合確定渡越時(shí)間,在此基礎(chǔ)上計(jì)算流量。經(jīng)過(guò)流量實(shí)測(cè)證明,設(shè)計(jì)的超聲流量計(jì)充分發(fā)揮了數(shù)字化方案的優(yōu)勢(shì),較好地完成了流量測(cè)量工作。

時(shí)差法 超聲流量 數(shù)字信號(hào)控制器 互相關(guān) 渡越時(shí)間

0 引言

目前,超聲波流量計(jì)根據(jù)測(cè)量原理的不同,大致可分為傳播速度差法(時(shí)間差法、相位差法、頻差法)、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等類(lèi)型。其中,時(shí)間差法超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下大多數(shù)清潔均勻流體流量的測(cè)量。

時(shí)間差法的基本原理是:超聲換能器順逆流交替發(fā)送、接收超聲信號(hào),由于流體的流動(dòng)超聲信號(hào)順流傳播時(shí)間會(huì)小于其逆流傳播時(shí)間,通過(guò)順逆流傳播時(shí)間及其時(shí)間差異可以獲取流速、流量等信息[1-2]。

本文基于時(shí)間差法原理,采用數(shù)字化方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種超聲波流量計(jì)。具體介紹了設(shè)計(jì)所采用的流量計(jì)算模型以及信號(hào)處理算法,并以TMS320F28335為核心實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制和信號(hào)處理算法。

1 原理介紹

測(cè)量原理說(shuō)明如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理圖Fig.1 Illustration of the measuring principle

順逆流換能器以Z法對(duì)射式外夾在管壁上,路徑1為流體靜止情況超聲傳播路徑,路徑2為順流超聲傳播路徑。超聲傳播路徑上的流體線平均流速為v,超聲在流體中的傳播時(shí)間為tfl,于是有波束偏移:

路徑1、2傳播時(shí)間差:

式中:cs為聲楔聲速;θ為聲楔角度。

從而得到順逆流傳播時(shí)間差:

進(jìn)而得到超聲傳播路徑上的流體線平均流速:

將v乘以流體力學(xué)校正因子Kf,得到沿管道截面的平均流速。最終,流量計(jì)算公式為:

式中:A為管道橫截面積。

2 硬件設(shè)計(jì)

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子學(xué)系統(tǒng)組成,硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖Fig.2 Block diagram of the hardware

超聲波換能器是實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的器件,設(shè)計(jì)采用壓電超聲換能器,中心頻率為2 MHz。直接面向超聲換能器的模擬前端實(shí)現(xiàn)順逆流換能器的激勵(lì)、接收信號(hào)調(diào)理。由于實(shí)際工況下傳播介質(zhì)對(duì)超聲的衰減不同,為了將接收信號(hào)穩(wěn)定在一定的幅度范圍里,采用閉環(huán)增益控制,通過(guò)采樣計(jì)算調(diào)節(jié)放大器增益。模擬前端對(duì)目標(biāo)信號(hào)應(yīng)有足夠的放大能力,其對(duì)干擾的抑制能力也是一個(gè)重要考量,可采用平衡差分發(fā)射、平衡差分接收電路。

數(shù)字部分核心器件采用TI公司的TMS320F28335 DSC,其具有豐富的片上資源和軟件資源支持,既能完成對(duì)測(cè)量過(guò)程的控制,又能勝任復(fù)雜的信號(hào)處理運(yùn)算。由于數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)兼具微控制器(MCU)的功能和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的處理能力,將其作為控制和計(jì)算的核心,是一種高度集成、高性能、高可靠性的解決方案。

高速數(shù)據(jù)采集部分采用ADS807,這是一款12 bit、最高采樣率53 MS/s的高速流水線ADC,將其接在DSC的XINTF上,實(shí)際工作采樣率25 MS/s,采樣間隔40 ns。數(shù)據(jù)采集流程:DSC的ePWM1產(chǎn)生25 MHz占空比50%的方波作為ADC的輸入時(shí)鐘,產(chǎn)生PWM波的同時(shí)產(chǎn)生EPWM1SOCA事件觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)XINTF讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到DSC片內(nèi)RAM[3-4]。

人機(jī)接口部分,通過(guò)XINTF擴(kuò)展TFT LCD,用于設(shè)置參數(shù)交互、測(cè)量參數(shù)顯示、接收波形顯示。鍵盤(pán)掃描芯片CH452負(fù)責(zé)鍵盤(pán)事務(wù),處理用戶(hù)輸入。

3 算法及實(shí)現(xiàn)

3.1 窗口技術(shù)

將發(fā)射時(shí)刻、順逆流信號(hào)到達(dá)時(shí)刻在同一根時(shí)間軸上用實(shí)心圓標(biāo)示,其示意圖如圖3所示。虛線圓表示不受流體流動(dòng)影響即流體靜止情況下的超聲信號(hào)到達(dá)時(shí)刻,聲路計(jì)算過(guò)程中稱(chēng)之為預(yù)計(jì)到時(shí)tE,Δt為順逆流傳播時(shí)間差。

圖3 窗口技術(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the window technology

超聲信號(hào)傳播遵循斯涅耳定律,儀器根據(jù)管道參數(shù)換能器參數(shù)、流體參數(shù)、聲程數(shù)推導(dǎo)出聲路,給出換能器的安裝距離,計(jì)算出預(yù)計(jì)到時(shí)tE。再根據(jù)最大流速計(jì)算Δt的最大值,即超聲信號(hào)可能的最早、最晚到時(shí),進(jìn)而確定出信號(hào)窗口位置,并留有一定裕量,只在窗口位置進(jìn)行接收信號(hào)的采集。窗口技術(shù)減小了數(shù)據(jù)采集處理開(kāi)銷(xiāo),避免了窗外信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響,還可以檢驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、換能器安裝是否正確。

3.2 時(shí)差算法

將采集的順逆流波形疊加顯示如圖4所示。

圖4 順逆流波形Fig.4 Downstream and upstream waveforms

從圖4可以看出,兩路波形在時(shí)間上有先后差異,這種差異和流速成正比。時(shí)差算法本質(zhì)上是為了求解具有相似性的兩路波形在時(shí)間上的差異,這里采用互相關(guān)法,將順逆流波形作互相關(guān),互相關(guān)函數(shù)峰值位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移即順逆流傳播時(shí)間差Δt。

3.2.1 互相關(guān)

數(shù)字域中信號(hào)x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)定義為:

當(dāng)m為正、負(fù)值時(shí),互相關(guān)函數(shù)值分別對(duì)應(yīng)x(n)保持不動(dòng),將y(n)左移、右移m個(gè)時(shí)間間隔后兩個(gè)序列對(duì)應(yīng)相乘再相加的結(jié)果,反映了不同時(shí)延下兩信號(hào)的相似程度。實(shí)際中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N常為有限值,則求rxy(m)估計(jì)值的一種方法是:

直接從時(shí)域計(jì)算互相關(guān),計(jì)算量較大,特別是當(dāng)N、m比較大時(shí)。根據(jù)維納-辛欽定理,互相關(guān)函數(shù)與互功率譜是一對(duì)傅里葉變換對(duì),利用FFT從頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)快速計(jì)算[5],計(jì)算步驟如下。

①xN(n)補(bǔ)N個(gè)零,yN(n)補(bǔ)N個(gè)零,通過(guò)FFT得X2N(k)、Y2N(k);

圖5 互相關(guān)計(jì)算結(jié)果示意圖Fig.5 Result of cross-correlation calculation

3.2.2 互相關(guān)擬合

數(shù)字域中直接通過(guò)互相關(guān)峰確定時(shí)間差的準(zhǔn)確度與采樣率有關(guān),采樣率越高,采樣間隔越小,準(zhǔn)確度越高,誤差越小。然而過(guò)高的硬采樣率會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo),卻不能帶來(lái)性能上質(zhì)的提升。相比之下,可以通過(guò)軟件算法上數(shù)據(jù)插值、數(shù)據(jù)擬合的方法來(lái)逼近[6-7]。本文的做法是,首先對(duì)順逆流原始數(shù)據(jù)插值以提高采樣率,進(jìn)而計(jì)算互相關(guān)得到離散互相關(guān)函數(shù)峰值位置作為粗定位結(jié)果。然后以離散互相關(guān)函數(shù)峰值位置為中心,在其左右各取5個(gè)點(diǎn)作最小二乘法二次曲線擬合,計(jì)算出二次曲線對(duì)稱(chēng)軸位置,得到其與中心位置的偏差作為細(xì)定位結(jié)果。最后將粗定位結(jié)果與細(xì)定位結(jié)果相加,達(dá)到對(duì)互相關(guān)函數(shù)峰值位置的一個(gè)較好逼近,再乘以采樣間隔得到最終的時(shí)差計(jì)算結(jié)果。上述擬合過(guò)程如圖6所示。

圖6 互相關(guān)擬合過(guò)程Fig.6 Cross-correlation and fitting

3.3 渡越時(shí)間

順流到時(shí)tD,逆流到時(shí)tU,順逆流到時(shí)取平均得平均傳播時(shí)間,對(duì)應(yīng)于流體靜止情況下的傳播路徑。該路徑下的預(yù)計(jì)到時(shí)與實(shí)測(cè)傳播時(shí)間的比值還可以作為一個(gè)診斷參數(shù)判斷流量計(jì)是否工作正常。超聲信號(hào)平均傳播時(shí)間減去超聲在聲楔中的傳播時(shí)間、管壁中的傳播時(shí)間,即得到超聲在流體中的傳播時(shí)間tfl。

運(yùn)用小波的奇異點(diǎn)定位功能,采用希爾伯特變換與小波變換結(jié)合確定渡越時(shí)間。由于超聲接收信號(hào)的近似光滑性,直接利用小波定位效果不好,通過(guò)希爾伯特變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用于小波奇異點(diǎn)定位的信號(hào),再使用小波變換進(jìn)行定位[8-10]。

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換得到解析信號(hào),解析信號(hào)的模乘以相角得到轉(zhuǎn)換信號(hào),如圖7所示。轉(zhuǎn)換信號(hào)的突變周期與原始信號(hào)周期相同,突變點(diǎn)恰是原始信號(hào)的局部極小值點(diǎn)。用小波檢測(cè)出突變點(diǎn),進(jìn)而確定信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。

運(yùn)用雙正交樣條小波對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行小波分解,將尺度為4的小波系數(shù)與原始信號(hào)疊加,如圖8所示。由圖8可見(jiàn),小波系數(shù)明顯體現(xiàn)出轉(zhuǎn)變信號(hào)突變點(diǎn)的位置,即原始信號(hào)局部極小值點(diǎn)位置。找到滿(mǎn)足信號(hào)周期約束第一個(gè)極小值點(diǎn),向前移3/4個(gè)信號(hào)周期在小范圍內(nèi)通過(guò)擬合方式確定出信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為到達(dá)時(shí)刻,計(jì)算得出渡越時(shí)間,進(jìn)而求得tfl。

圖7 希爾伯特變換轉(zhuǎn)換信號(hào)Fig.7 Hilbert transform conversion signal

圖8 信號(hào)到達(dá)時(shí)刻確定Fig.8 Determination of the arrival time

除了本文介紹的方法,還可以采用互相關(guān)、功率統(tǒng)計(jì)等多種信號(hào)處理方法、在多個(gè)域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理確定超聲信號(hào)到達(dá)時(shí)刻[10]。

3.4 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

①實(shí)現(xiàn)上使用了來(lái)自TMS320C28x FPU Library的支持。該算法庫(kù)是TI公司針對(duì)C28x+FPU開(kāi)發(fā)的高度優(yōu)化的函數(shù)庫(kù),效率極高。它主要包含F(xiàn)FT等信號(hào)處理常用運(yùn)算,使得程序員能最大限度地發(fā)揮C28x+FPU的計(jì)算處理能力。

②TMS320F28335具有片內(nèi)Flash,然而150 MHz主頻時(shí)片內(nèi)Flash指令執(zhí)行速度僅為90～95 MI/s,相比之下片內(nèi)RAM的指令執(zhí)行速度為150 MI/s。于是,上電將關(guān)鍵代碼拷貝到DSC片內(nèi)RAM中,加快執(zhí)行速度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

流量檢定在水流量標(biāo)定平臺(tái)上進(jìn)行,管道內(nèi)徑50 mm,試驗(yàn)介質(zhì)為清水。檢定過(guò)程設(shè)置5個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)檢定6次,瞬時(shí)體積流量結(jié)果如表1所示。

表1 檢定結(jié)果Tab.1 Test results

從檢定結(jié)果可以看出,方案設(shè)計(jì)較好地完成了流量測(cè)量工作,且測(cè)量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性、重復(fù)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了時(shí)間差法超聲流量測(cè)量,并采用TMS320F28335實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字化超聲流量測(cè)量方案。根據(jù)時(shí)差法流量測(cè)量的基本原理,推導(dǎo)了所采用的流量計(jì)算模型,研究并實(shí)現(xiàn)了時(shí)間差算法、渡越時(shí)間算法等關(guān)鍵算法。根據(jù)流量測(cè)量的需求,對(duì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì),給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和流量實(shí)測(cè)證明,方案具有較高可行性,為后續(xù)的研究、開(kāi)發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

[1] 馮若.超聲手冊(cè)[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999.

[2] 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室.超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1977.

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[4] 張文磊.基于TMS320F28335的超聲波流量計(jì)[D].濟(jì)南:山東科技大學(xué),2011.

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[10] 張濤,蒲誠(chéng),趙宇洋.傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)展述評(píng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2009,36(4):2-5.

Design and Implementation of the Digital Transit-time Ultrasonic Flowmeter

Based on principle of propagation time difference,the digital transit time ultrasonic flowmeter is implemented by adopting digitized design strategy.The system is composed of the digital signal controller(DSC)TMS320F28335 as the kernel,and ADS807 pipelined A/D converter as the high speed data acquisition device,the ultrasonic signal transmitting and conditioning of receiving signal are performed by analog front end(AFE).The difference of propagation time of the ultrasonic signal upon upstream and downstream in the fluid is solving through cross correlation and fitting algorithms in the software,the combination of Hilbert transform and wavelet transform is determining the propagation time,then the flow rate is calculated on this basis.The practical tests verify that this ultrasonic flowmeter gives full play of the superiority of digitized strategy,and well accomplishes the job for flow measurement.

Transit-time method Ultrasonic flow Digital signal controller Cross-correlation Propagation time

TH814

A

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):XDA02010300)。

修改稿收到日期:2014-03-04。

王飛(1989-),男,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事超聲流量測(cè)量的研究。