宝德流量计回波信号怎样才算正常

宝德流量计回波信号怎样才算正常
    宝德流量计达特征点时间, 从而计算渡越时间。相比于单阈值法, 双阈值法一定程度上提高了流量计的准确性, 然而超声回波信号在传播时易受到温度、压力以及换能器特性的影响, 导致双阈值法在一定工况下特征点产生错误判断。针对此问题, 提出了一种自适应的双阈值方法并设计硬件电路。该方法可在较低的采样频率下获得回波信号各个波峰幅值, 实时更新阈值, 判断特征点是否一致并进行自动补偿, 从而提高渡越时间的测量精度。终实验结果表明, 与传统双阈值法相比该方法具有较好的适应性和计量特性。
    宝德流量计常用的测量方法有多普勒法, 互相关法和传播速度差法等, 其中传播速度差法又可以分为时差法、相位差法以及频差法[1]。时差法在超声波流量计中应用广泛, 该方法要求准确测量超声波在管道内上下游传播的渡越时间, 常用的渡越时间测量方法有互相关法、曲线拟合法和双阈值法等。互相关法的测量精度很大程度上依赖采样频率和信噪比[2], 因此提高采样频率可以提高互相关法测量渡越时间的精度。曲线拟合法一般采用遗传算法或蚁群算法建立回波信号模型, 计算得到渡越时间[3], 但需要较长的计算时间和较高的采样频率。双阈值法通过测量回波信号特征点的时间来确定渡越时间, 常见的双阈值法有固定阈值法[4]和比例阈值法[5]。双阈值法测量时所确定的特征点不一致会影响流量计的测量精度。因此文献[6]提出了一种基于双阈值的相似判断法, 进行回波信号波形采集, 通过小均方误差判断特征点一致性
    针对以上问题, 本文在固定阈值法和比例阈值法的基础上提出了一种自适应阈值法, 设计了信号处理电路, 研究了阈值的设置方法和渡越时间的补偿, 并通过温度实验, 压力实验和流量实验验证了该方法的合理性。
    1 回波处理的双阈值法
    1.1 双阈值法的原理
    为气体超声波流量计结构图。如图1 (b) 中的TAB为开始激励换能器S1点到接收到回波信号E1的时间, 称为渡越时间。
    通过选定一个幅值作为阈值, 过零点作为阈值, 则回波信号在D1点到达阈值, 将D1点后第1到达阈值的点记为D2点, 即回波信号的特征点。测量S1点到D2的时间T:
    计算公式
    式 (1) 中TFEA为回波信号起始点到特征点的时间, 与回波信号起始点相差n个周期, 而回波信号的周期由换能器B的中心频率决定。当每测量特征点D2均在回波信号的同一位置时TFEA为常量, 根据式 (1) 可以得到渡越时间TAB:
    计算公式
    双阈值法容易受到回波信号波形影响, 回波信号波形变化会造成阈值在回波信号上所确定的D1点不一致, 导致特征点D2变化, TFEA也会发生变化。
    回波信号可以通过建立数学模型进行拟合[7,8,9], 本文通过根据回波信号选择混合指数模型[10]进行拟合。该模型可表示为:
    江苏华云流量计厂
    式 (3) 和式 (4) 中k为采样点序号;t为采样周期;f为传感器中心频率;τ为回波信号到达时间;A0为信号大幅值;m和T两个参数与换能器性质有关;u (kt-τ) 为单位阶跃函数。由式 (3) 和式 (4) 可以的出结论, 回波信号y (kt) 是关于x=[A0, τ, f, m, T]为自变量的函数。利用人工鱼群算法[11,12]得到的拟合回波信号y (kt) 如图2 (a) , 可以发现黑色虚线部分基本吻合实际回波信号。只改变参数m, T, 模拟实际情况下工况发生变化如图2 (b) , 发现黑色虚线框部分发生改变, 即工况改变会影响回波信号的波形, 会影响双阈值法的测量结果。
    由于工况变化会导致回波信号形状发生变化, 本文提出的自适应阈值法, 根据回波信号的波形实时调整阈值, 保证每测量的特征点一致, 具体的方法如下:
    峰值检测电路可回波信号的台阶信号如图3, 台阶信号反映了前半段回波信号的形状, 通过台阶采集可以得到每一个台阶的幅值Ai (i=1, 2, 3…N, N为总台阶数量) 。单片机根据当前采集的台阶信号幅值, 可设置下一测量时的阈值Next_Tv1, 本文的阈值设置在台阶2和台阶3之间:
    如图4为自适应阈值法的电路框图, 回波信号处理电路将微弱的回波信号进行处理, 经过放大滤波处理后, 输出一个高信噪比、幅值较大的回波信号。利用峰值检测电路得到回波的台阶信号, 台阶信号经过高通滤波电路后由CPLD、AD以及高速RAM构成台阶采集电路将各个台阶的模拟量转化为数字量, 并将台阶信号数字量传递给单片机, 单片机利用内部AD采集获得回波信号的大幅值。单片机根据当前台阶信号设置下一测量渡越时间的阈值。渡越时间测量电路采用TDC-GP22, 通过渡越时间测量电路则可以得到回波信号的渡越时间。
    宝德流量计的超声波换能器中心频率为200 k Hz左右, 所以根据采样定理采样频率应大于400 k Hz, 为了保证系统台阶识别的准确性实际应用中AD采样频率大于1 MHz即可实现台阶信号采集, 不需要采用较高的频率采集回波信号波形以各个波峰幅值。
    宝德流量计特征点一致性补偿
    宝德流量计采用TDC-GP22可以连续测量D1点后第3个、第4个和第5个波峰的下降沿过零点时间。
    宝德流量计为正常情况下的回波信号和阈值, 其中阈值与回波信号第1相交在波峰2, 3之间, 得到D1点, 则TDC-GP22可以分别测得波峰5、波峰6和波峰7的下降沿过零点时间t3、t2和t1, 取波峰6的下降沿过零点作为特征点D2, 到达特征点时间T为t2。
    宝德流量计自适应阈值法可以当前的台阶信号, 反映了回波信号各个波峰的大小, 将各个台阶幅值Ai (i=1, 2, 3…N, N为总台阶数量) 与当前测量设置的阈值Pre_Tv1进行比较, 判断D1点所在位置。
    当阈值在波峰1, 2之间时, 若不进行特征点一致性补偿, 则特征点t2将会提前一个周期, 在波峰5下降沿的过零点处, 此时若要保证特征点一致则到达特征点时间应调整为t1;当阈值在波峰3, 4之间时, 若不进行特征点一致性补偿, 则特征点t2将会滞后一个周期, 在波峰7下降沿的过零点处, 此时若要保证特征点一致则到达特征点时间应调整为t3。综上所述, 到达特征点时间T应根据阈值所在位置选取为: