參數估計法實現的互相關流量測量系統

Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

邊旭燁　張玉杰　楊　萍

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安　710021)

參數估計法實現的互相關流量測量系統

Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

邊旭燁張玉杰楊萍

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安710021)

摘要：由于傳統相關流量計測量精度易受外界條件影響，故系統采用參數估計實現渡越時間的計算。其主要思想是把測量值不斷地逼近理論值，從而不斷地修改數學模型中的參數；當參數確定后，計算流量值。系統采用多核處理器OMAP3530，提高系統的實時性。試驗數據表明，采用參數估算法實現的互相關流量計具有精度高、實時性好等優點，并具有實際的工程應用價值。 是現代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關鍵詞之前。

陜西省科技計劃基金資助項目(編號：2014K07-17)。

修改稿收到日期：2014-09-02。

第一作者邊旭燁(1970-)，男，2014年畢業于陜西科技大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，高級講師；主要研究方向為信號檢測與處理。

關鍵詞：流量計參數估計法互相關渡越時間傳感器

Abstract：Due to the measurement precision of traditional correlation flowmeter is easily influenced by external conditions, so the parameter estimation method is used to calculate the time-of-flight for the system. The main idea of this method is constantly making the measured value to approach the theoretical value, thus modifying the parameters in mathematical model; when the parameters are determined, the flow is calculated. By using multi-core processor OMAP3530, the real time performance of the system is enhanced. The experimental data show that the cross correlation flowmeter using parameter estimation method features high precision and good real time performance, and possesses practical value of engineering application.

Keywords：FlowmeterParameter estimation methodCorrelationTime-of-flight(TOF)Sensor

0引言

流量測量越來越廣泛，其常用的測量計有超聲波流量計和多普勒效應流量計等，其中互相關流量測量技術是以隨機過程的相關理論為基礎的一種流動參數檢測技術。直接相關法有一個共同的特點，即直接通過上下游傳感器的輸出信號來進行相關運算并求出渡越時間，但計算結果往往由于一些客觀原因導致誤差大，如超聲波換能器的尺寸太大或者距離過遠。此外，實際的流體不完全滿足“凝固”模型等，都是造成誤差的主要原因[1]。因此，本文采用改進型的互相關算法來提高系統的測量精度。

1超聲波相關流量計的測量原理

超聲波互相關流量測量的主要原理是：超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，要求上游和下游的發射和接收超聲波換能器選用完全相同的材質和結構，以獲取流體的流動噪聲信號；信號經相關處理后，求得流體平均流速[2]。

1.1　互相關檢測的理論依據

互相關函數Rxy(τ)波形如圖1所示，峰值(最大值)位置所對應的時間τ0就是渡越時間。

圖1　互相關函數Rxy(τ)波形圖

在理想流動狀態下，流體上下游流動符合Taylor的“凝固”流動模型。對上游和下游接收到的兩個超聲波信號進行互相關運算，可得到兩信號之間的時間差，從而推算出流體的流速和流量。如果兩換能器間的距離足夠小，流體在上下游換能器之間的流動特性變化較小，則隨機信號x(t)和y(t)將基本相同，只是y(t)較x(t)有一個時間上的滯后。對信號x(t)和y(t)作互相關運算，互相關函數的定義為[3]：

(1)

式中：x(t)和y(t)為兩隨機信號樣本；τ為所測量兩點間的時間間隔，即兩信號間的時延。

1.2　超聲相關流量測量原理

參數估算法的互相關流量測量原理如圖2所示，系統分為流動噪聲的提取與處理、互相關渡越時間測量系統及流速和流量計算等模塊。

圖2　參數估算法的互相關流量測量圖

在沿管道軸線相距L的截面上安裝兩對超聲換能器，工作時上游換能器向被測流體發射一定幅度的能量束。當被測流體在管道內流動時，流動噪聲調制上游換能器發出的能量束，上游換能器檢測到引起調制作用的隨機信號Sx(t)，下游接收換能器提取出與被測流體流動狀況有關的流動噪聲信號Sy(t)。被測流動系統可近似為一個線性系統或者非線性系統，相關測量系統的任務是確定出該模型中的一組參數，使得該模型在輸入信號x(t)的作用下產生的輸出量ys(t)與被測流動系統的輸出信號y(t)最為相似，從而不斷地修改數學模型中的參數，使其差值e(t)的某一準則函數達到最優。當參數確定后，通過對這些確定參數的運算，求出渡越時間τ0[4]。

對于被測流體是單相流體或者是均勻混合的兩相流體，也就是管道截面上各點處流體的流速相等時，被測流體的體積平均流速vcp可以用相關速度v來表示[5]。因此，信號在該系統中的傳播速度v可以按下式計算：

v=L/τ0

(2)

式中：v為相關速度；L為上、下游換能器的距離。

在理想流動狀況下，流量Q的計算公式為[6]：

(3)

式中：D為管道內徑；K為流速分布補償系數。

2參數估算法的實現過程

2.1　參數估算法的DSP實現

參數估算法的互相關運算則是啟動DSP核來完成，算法實現流程如圖3所示。

圖3　DSP的參數估算法實現流程圖

由于本系統的主控制器選用TI的多核處理器OMAP3530，因此處理器采用720 MHz ARM CORTEX-A8內核與520 MHz TMS320C64+ DSP[7]。

2.2　參數估算法的理論依據

在參數估算法中，流動噪聲從上游換能器到下游換能器的傳遞過程可以用脈沖響應函數h來表示，其向量表示為h=[h0,h1,…,hM-1]T，其中M為數學模型的維數。利用最優算法調整模型中的參數使得e(t)的均方值達到最小。其中：

(4)

從式(4)可以看出，t時刻的模型輸出ys(t)與該時刻前M個輸入信號x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)有關，而h0(t)，h1(t)，…，hM-1(t)可以看成輸入的權重。對于理想的流體來說，下游換能器的接收信號只是上游換能器的延遲，因此y(t)應該和輸入x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)中的某一個值相等，所以，x(t-m)所對應的權重hm(t)就是最大的。由尋優算法得到h的最大元素的序號m和采樣周期相乘，就可以計算出流動噪聲的渡越時間τ0。

3互相關流量測量系統的組成

由于ARM更適于處理一般性的任務，而DSP更加適合用來實現對實時性要求比較高的任務[8]，因此，超聲波發射控制、信號采集、存儲器管理、人機交互、輸出驅動等任務由ARM來完成，而相關數據處理任務由DSP來承擔，最大發揮OMAP3530的性能，提高系統的實時性。相關流量測量系統的硬件框圖如圖4所示。

圖4　相關流量測量系統的硬件框圖

4流量測量系統軟件設計

對于本系統來說，選擇層次化的軟件設計方法是最優的方式，層次化設計方法將整個軟件分為底層驅動層、界面層和應用層這三層。各層的關系如圖5所示。

圖5　程序設計三層框架圖

當OMAP3530開發板上電后，首先ARM被啟動，由ARM端下載代碼并解除復位后，DSP才開始啟動。對DSP加載程序，并進行初始化。外部RAM空間即DDR存儲區，是ARM和DSP共享存在的。在系統設計時，為了防止雙核訪問內存沖突，把ARM和DSP使用的內存嚴格物理地址分開，ARM用低端地址，DSP分配的是高端地址，并且預留出2 MB的共享內存用來數據交互。這個2 MB的共享內存是由DSPLink來管理完成數據交互的。

5試驗結果

超聲波換能器的發射角在本測試系統中選取 30°，兩換能器的距離L=(0.5~2)D(D為管道直徑)[10-11]，管道內徑30 mm，同時測得超聲波在空氣中的傳播速度為341 m/s，測量的數據如表1所示。

表1　測量結果與理論值的對比及誤差

由表1可見，誤差均在2%左右，達到預定要求。

6結束語

本文利用參數估算法進行互相關流量的測量，系統已通過實驗室試驗階段。測量結果表明,系統性能穩定可靠、測量精度高。

參考文獻

[1] 蔡武昌.流量檢測技術和傳感器設計若干趨勢[J].自動化儀表，2007,28(9):33-35.

[2] 賈佳，谷立臣.基于超聲流量計的包絡互相關時延理論及仿真[J].自動化儀表，2012,33(7):53-55.

[3] 羅長海，孟志軍，王沛東,等.基于超聲波的八路巡檢流量計設計[J].自動化與儀表，2013(8):50-54.

[4] 周昱.流量測量的相關算法的分析與仿真[D].武漢：華中科技大學，2008.

[5] 張震，汪斌強，朱珂.流量測量的關鍵技術分析與研究[J].計算機應用研究，2009,26(9):3442-3447.

[6] 桂永芳，傅新，鮑敏.基于互相關理論的超聲波氣體流量測量電路系統[J].工業儀表與自動化裝置，2004(4):15-18.

[7] 周立功.ARM嵌入式系統應用技術筆記——基于LPC2300[M].廣州:廣州致遠電子有限公司,2008:154-198.

[8] 田澤.嵌入式系統開發與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:101-150.

[9] 劉竹琴，白澤生，白宗文.一種差壓式液體流量檢測儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2011,23(11):23-24.

[10]江杰，羅長海.超聲波流量計換能器參數的選擇[J].自動化儀表，2012,33(10):76-79.

[11] 張濤,蒲誠,趙宇洋.傳播時間法超聲流量計信號處理技術進展述評[J].化工自動化及儀表，2009，36(4):2-5.

科技期刊中文文摘的撰寫

根據GB/T 6447-1986《文摘編寫規則》關于摘要的定義，摘要是以提供文獻內容梗概為目的，不加評論和補充解釋，簡明、確切地記述文獻重要內容的短文。按摘要的不同功能來劃分，它大致分為報道性摘要、指示性摘要、報道-指示性摘要3種類型。一般的科技論文應盡可能采用報道性摘要。摘要中應寫的內容一般包括研究工作的目的、方法、結果和結論，而重點是結果和結論。根據有關規定，撰寫摘要應注意以下幾點。

① 省略“我們”“作者”“筆者”“本文”這樣的主語。

② 簡短精煉，明確具體。簡短，指篇幅短，一般以不超過200字為宜(依摘要類型而定)；精煉，指摘錄出原文的精華，無多余的話；明確具體，指表意明白，不含糊，無空泛、籠統的詞語，應有較多而有用的定性和定量的信息。

③ 一般不要交代背景，更不要闡述一般性知識。

④ 格式要規范，一般不分段，盡可能用規范術語，不用非共知共用的符號和術語。不能簡單地重復題名中已有的信息，并切忌羅列段落標題來代替摘要。除了實在無變通辦法可用以外，一般不出現插圖、表格，以及參考文獻序號，一般不用數學公式和化學結構式。

中圖分類號：TP274

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501025