参数估计法实现的互相关流量测量系统

Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

边旭烨　张玉杰　杨　萍

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安　710021)

参数估计法实现的互相关流量测量系统

Cross-correlation Flow Measurement System Implemented

by Parameter Estimation Method

边旭烨张玉杰杨萍

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安710021)

摘要：由于传统相关流量计测量精度易受外界条件影响，故系统采用参数估计实现渡越时间的计算。其主要思想是把测量值不断地逼近理论值，从而不断地修改数学模型中的参数；当参数确定后，计算流量值。系统采用多核处理器OMAP3530，提高系统的实时性。试验数据表明，采用参数估算法实现的互相关流量计具有精度高、实时性好等优点，并具有实际的工程应用价值。 是现代科技论文的必要附加部分，只有极短的文章才能省略。它是帮助读者从浩瀚的信息海洋中能较快、较准地找到他们所需要的科技信息的一种有效工具。摘要一般置于作者及其工作单位之后、关键词之前。

陕西省科技计划基金资助项目(编号：2014K07-17)。

修改稿收到日期：2014-09-02。

第一作者边旭烨(1970-)，男，2014年毕业于陕西科技大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，高级讲师；主要研究方向为信号检测与处理。

关键词：流量计参数估计法互相关渡越时间传感器

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

流量测量越来越广泛，其常用的测量计有超声波流量计和多普勒效应流量计等，其中互相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术。直接相关法有一个共同的特点，即直接通过上下游传感器的输出信号来进行相关运算并求出渡越时间，但计算结果往往由于一些客观原因导致误差大，如超声波换能器的尺寸太大或者距离过远。此外，实际的流体不完全满足“凝固”模型等，都是造成误差的主要原因[1]。因此，本文采用改进型的互相关算法来提高系统的测量精度。

1超声波相关流量计的测量原理

超声波互相关流量测量的主要原理是：超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，要求上游和下游的发射和接收超声波换能器选用完全相同的材质和结构，以获取流体的流动噪声信号；信号经相关处理后，求得流体平均流速[2]。

1.1　互相关检测的理论依据

互相关函数Rxy(τ)波形如图1所示，峰值(最大值)位置所对应的时间τ0就是渡越时间。

图1　互相关函数Rxy(τ)波形图

在理想流动状态下，流体上下游流动符合Taylor的“凝固”流动模型。对上游和下游接收到的两个超声波信号进行互相关运算，可得到两信号之间的时间差，从而推算出流体的流速和流量。如果两换能器间的距离足够小，流体在上下游换能器之间的流动特性变化较小，则随机信号x(t)和y(t)将基本相同，只是y(t)较x(t)有一个时间上的滞后。对信号x(t)和y(t)作互相关运算，互相关函数的定义为[3]：

(1)

式中：x(t)和y(t)为两随机信号样本；τ为所测量两点间的时间间隔，即两信号间的时延。

1.2　超声相关流量测量原理

参数估算法的互相关流量测量原理如图2所示，系统分为流动噪声的提取与处理、互相关渡越时间测量系统及流速和流量计算等模块。

图2　参数估算法的互相关流量测量图

在沿管道轴线相距L的截面上安装两对超声换能器，工作时上游换能器向被测流体发射一定幅度的能量束。当被测流体在管道内流动时，流动噪声调制上游换能器发出的能量束，上游换能器检测到引起调制作用的随机信号Sx(t)，下游接收换能器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号Sy(t)。被测流动系统可近似为一个线性系统或者非线性系统，相关测量系统的任务是确定出该模型中的一组参数，使得该模型在输入信号x(t)的作用下产生的输出量ys(t)与被测流动系统的输出信号y(t)最为相似，从而不断地修改数学模型中的参数，使其差值e(t)的某一准则函数达到最优。当参数确定后，通过对这些确定参数的运算，求出渡越时间τ0[4]。

对于被测流体是单相流体或者是均匀混合的两相流体，也就是管道截面上各点处流体的流速相等时，被测流体的体积平均流速vcp可以用相关速度v来表示[5]。因此，信号在该系统中的传播速度v可以按下式计算：

v=L/τ0

(2)

式中：v为相关速度；L为上、下游换能器的距离。

在理想流动状况下，流量Q的计算公式为[6]：

(3)

式中：D为管道内径；K为流速分布补偿系数。

2参数估算法的实现过程

2.1　参数估算法的DSP实现

参数估算法的互相关运算则是启动DSP核来完成，算法实现流程如图3所示。

图3　DSP的参数估算法实现流程图

由于本系统的主控制器选用TI的多核处理器OMAP3530，因此处理器采用720 MHz ARM CORTEX-A8内核与520 MHz TMS320C64+ DSP[7]。

2.2　参数估算法的理论依据

在参数估算法中，流动噪声从上游换能器到下游换能器的传递过程可以用脉冲响应函数h来表示，其向量表示为h=[h0,h1,…,hM-1]T，其中M为数学模型的维数。利用最优算法调整模型中的参数使得e(t)的均方值达到最小。其中：

(4)

从式(4)可以看出，t时刻的模型输出ys(t)与该时刻前M个输入信号x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)有关，而h0(t)，h1(t)，…，hM-1(t)可以看成输入的权重。对于理想的流体来说，下游换能器的接收信号只是上游换能器的延迟，因此y(t)应该和输入x(t)，x(t-1)，…，x(t-M+1)中的某一个值相等，所以，x(t-m)所对应的权重hm(t)就是最大的。由寻优算法得到h的最大元素的序号m和采样周期相乘，就可以计算出流动噪声的渡越时间τ0。

3互相关流量测量系统的组成

由于ARM更适于处理一般性的任务，而DSP更加适合用来实现对实时性要求比较高的任务[8]，因此，超声波发射控制、信号采集、存储器管理、人机交互、输出驱动等任务由ARM来完成，而相关数据处理任务由DSP来承担，最大发挥OMAP3530的性能，提高系统的实时性。相关流量测量系统的硬件框图如图4所示。

图4　相关流量测量系统的硬件框图

4流量测量系统软件设计

对于本系统来说，选择层次化的软件设计方法是最优的方式，层次化设计方法将整个软件分为底层驱动层、界面层和应用层这三层。各层的关系如图5所示。

图5　程序设计三层框架图

当OMAP3530开发板上电后，首先ARM被启动，由ARM端下载代码并解除复位后，DSP才开始启动。对DSP加载程序，并进行初始化。外部RAM空间即DDR存储区，是ARM和DSP共享存在的。在系统设计时，为了防止双核访问内存冲突，把ARM和DSP使用的内存严格物理地址分开，ARM用低端地址，DSP分配的是高端地址，并且预留出2 MB的共享内存用来数据交互。这个2 MB的共享内存是由DSPLink来管理完成数据交互的。

5试验结果

超声波换能器的发射角在本测试系统中选取 30°，两换能器的距离L=(0.5~2)D(D为管道直径)[10-11]，管道内径30 mm，同时测得超声波在空气中的传播速度为341 m/s，测量的数据如表1所示。

表1　测量结果与理论值的对比及误差

由表1可见，误差均在2%左右，达到预定要求。

6结束语

本文利用参数估算法进行互相关流量的测量，系统已通过实验室试验阶段。测量结果表明,系统性能稳定可靠、测量精度高。

参考文献

[1] 蔡武昌.流量检测技术和传感器设计若干趋势[J].自动化仪表，2007,28(9):33-35.

[2] 贾佳，谷立臣.基于超声流量计的包络互相关时延理论及仿真[J].自动化仪表，2012,33(7):53-55.

[3] 罗长海，孟志军，王沛东,等.基于超声波的八路巡检流量计设计[J].自动化与仪表，2013(8):50-54.

[4] 周昱.流量测量的相关算法的分析与仿真[D].武汉：华中科技大学，2008.

[5] 张震，汪斌强，朱珂.流量测量的关键技术分析与研究[J].计算机应用研究，2009,26(9):3442-3447.

[6] 桂永芳，傅新，鲍敏.基于互相关理论的超声波气体流量测量电路系统[J].工业仪表与自动化装置，2004(4):15-18.

[7] 周立功.ARM嵌入式系统应用技术笔记——基于LPC2300[M].广州:广州致远电子有限公司,2008:154-198.

[8] 田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:101-150.

[9] 刘竹琴，白泽生，白宗文.一种差压式液体流量检测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2011,23(11):23-24.

[10]江杰，罗长海.超声波流量计换能器参数的选择[J].自动化仪表，2012,33(10):76-79.

[11] 张涛,蒲诚,赵宇洋.传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评[J].化工自动化及仪表，2009，36(4):2-5.

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中图分类号：TP274

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501025