基于时差法的双声道超声波水流量计_刘伟.pdf

www.ChinaAET.comMeasurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表基于时差法的双声道超声波水流量计刘伟，秦会斌（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018）摘 要：针对中小管径单声道超声波流量计由于声道少而易受流场分布不均匀的影响，提出了一种基于时差法的双声道超声波水流量计。流量计的硬件系统由 STM32L431 低功耗模块、高精度计时模块 TDC-GP22 等组成。根据双声道管段结构，提出了基于卡尔曼滤波算法的数据融合方法，将两个声道的测量数据融合并完成滤波处理，提高了流量计的测量精度。实验测试表明，流量计测量误差在 2.5%以内，卡尔曼融合滤波算法可以有效提高流量计测量精度。关键词：卡尔曼滤波；融合方法；超声波；流量计；双声道；时差法中图分类号：TP216 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222953中文引用格式：刘伟，秦会斌.基于时差法的双声道超声波水流量计J.电子技术应用，2023，49(1)：58-62.英文引用格式：Liu Wei，Qin Huibin.Two-channel ultrasonic water flowmeter based on time difference methodJ.Application of Electronic Technique，2023，49(1)：58-62.Two-channel ultrasonic water flowmeter based on time difference methodLiu Wei，Qin Huibin(Institute of New Electron Device and Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)Abstract：For the small and medium diameter mono ultrasonic flowmeter due to the small number of channels vulnerable to uneven flow field distribution,a dual-channel ultrasonic water flowmeter based on the time difference method is proposed.The hardware system of the flowmeter consists of STM32L431 low-power module,high-precision timing module TDC-GP22 and other components.According to the dual-channel pipe segment structure,the data fusion method based on Kalman filter algorithm is proposed to fuse the measurement data of the two channels and complete the filtering process,which improves the measurement accuracy of the flowmeter.The experimental test shows that the flowmeter measurement error is within 2.5%,and the Kalman fusion filtering algorithm can effectively improve the flowmeter measurement accuracy.Key words：Kalman filter；fusion method；ultrasound；flowmeter；binaural；time difference0 引言流量检测是工业自动化检测中的一个重要指标，与温度、压力并称为热工计量的三大重要参数1。流量计作为流量检测的标准计量器具，在于流体相关的工业控制中起到重要作用。传统的流量计大多为机械式流量计，机械部件占据主体部分，流体流经流量计时，流量计借助机械部件的转动完成流量计量。因此，机械式流量计普遍存在始动流量高、压力损耗大、需要人工抄表的问题。随着超声波检测技术的发展，出现了利用超声波完成流量测量的超声波水流量计。超声波流量计内部采用全电子结构，无阻流部件，相较于传统机械式流量计具有非接触式、无机械化部件、测量灵敏度高、受环境影响较小等优点2。因此，基于超声波检测技术的流量计逐渐成为热门研究领域。研究人员从超声波测量原理、传播时间计算方法和流量计设计等各个方面开展研究。涂晓立等人采用多普勒法研制了一种超声波多普勒流量计，并对流量计的性能进行了测试3；王安然等人对超声时差法的传播时间测量进行分析，提出了一种基于电容积分的间接传播时间测量方法4；胡海霞采用高精度计时芯片 TDC-GP22 设计了一款运用于小口径管道的超声波计量模块5。这些研究为超声波水流量测量领域的发展起到了重要作用。但是，现有的中小管径超声波流量计设计大都采用单声道，少有采用双声道或者多声道，而由于管道内存在气泡、颗粒物等杂质，流场分布不均匀等因素的影响，单声道流量计测得的流速并不能充分反映管道58Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表电子技术应用 2023年 第49卷 第1期流体流速，而多声道流量计通过测量每个声道的线速度，并通过数据融合的方式将多个线速度进行融合，融合结果作为管道内的流体流速，因此测量精度更高67。为了进一步提高超声波流量计的精度和稳定性，本文设计了一种基于时差法的双声道小管径超声波流量计。此外，如何将多个单声道流量计的测量结果融合，直接影响到了双声道流量计的性能。对此，本文提出了一种基于卡尔曼滤波算法的数据融合方法，有效地降低了外部噪声的干扰，提高了流量计的测量精度。1 系统工作原理1.1 时差法测量流量原理超声波流量计测管道流体流量的工作原理是时差法。超声波在顺流传播状态下，超声波声速和流体流速叠加，导致超声波传播时间减少。在逆流传播状态下，超声波传播速度与流体速度相抵，造成超声波传播速度下降，进而使传播时间增加。通过测量超声波顺逆流传播时间差可以间接计算出流量大小，其具体的计算方式如下文所示，超声波流量计时差法测量原理图如图 1所示。图 1 中，P1、P2为两个收发式两用超声波换能器，两换能器之间的距离为L，管道直径为d，水的正向流速为，换能器之间连线与管道中心线之间的夹角为。通过换能器P1和P2交替发射和接收超声波，可测得超声波顺流传播时间和逆流传播时间的时间差8：t=t1-t2=2Lcos2c2-2cos22Lc2(1)由于超声波传播速度c远远大于水流速，因此式（1）中2可以忽略不计。由式（1）可得水流速：=c2t2L(2)已知管径为d，则管道水体的累计水流量为Q：Q=0tkd24dt=0tkc2d28Ltdt(3)式中：k为流速修正系数。1.2 基于卡尔曼滤波的双声道数据融合方法在超声波流量测量过程中，由于外部环境噪声的干扰与系统内部结构的限制，如环境设备振动、工频干扰、流体扰动等9，使得超声波信号在传播过程中被掺杂大量噪声，测量结果与实际流量值存在误差，影响流量计的测量精度。因此，为了提高超声波测量信号的信噪比，需要对测得的时差数据进行滤波处理。为了同时对多个声道的测量结果进行滤波处理，本文设计了一种基于卡尔曼滤波的数据融合方法来处理两个单声道流量计的测量结果。1.2.1 双声道数据融合方法数据融合方法建立在双声道布置结构上，双声道交叉布置结构如图 2 所示。对双声道交叉布置方式进行拆分，可以看作是两个单声道超声波流量计，换能器 1、2组成单声道超声波流量计 A 的一对换能器；换能器 3、4组成单声道超声波流量计 B 的一对换能器，从管道侧面看，两个换能器对正交分布。管道内流场的分布情况较为复杂，需要根据管道内的流场分布情况，分别计算出两个单声道流量计所在声道的测量结果在卡尔曼滤波融合方法中的权重系数，即流速修正系数。假设管道半径为R，距离管道中心轴线距离为r的流体流速为(r)。对速度(r)关于横截面积S进行积分，求得面平均速度-s。-s=1Ss(r)ds(4)对某个单声道超声波流量计换能器对连线上的线速度(r)进行积分，求得线平均速度-i:-i=1LL(r)dl(5)式中：L为测量单元两换能器的距离，dl为L的微元，i为声道数。根据式(4)和式(5)可求得第i个声道的权重系数ki。ki=-s-i(6)根据式(6)计算出声道权重系数k1和k2之后，对两个单声道流量计的测量结果进行卡尔曼滤波融合计算。to=Fkalman(t1,k1),(t2,k2)(7)则最终水流量的计算公式修正为：Q=d28Lc2k1+k20ttodt(8)图 1超声波时差法流量测量原理图图 2双声道超声波流量计声道布置结构侧面图59Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com1.2.2 卡尔曼滤波融合计算卡尔曼滤波分为预测和修正两个步骤，其计算逻辑是：先用上一时刻最优估计值预估当前状态，再根据预估值来修正当前测量值，其具体迭代过程如下：计算上一时刻的输出结果来预测当前状态:tLast=AtLast+BULast(9)式中：A和B是系统参数，液位稳定时为单位矩阵，tLast是上一采样点的最优预测值，ULast为上一采样点的系统控制量。由于测量值、真实值和噪声的协方差都符合高斯分布，因此当前测量协方差定义为：PNow=Plast+q(10)式中：Plast为上一个采样点的预估协方差，本文设定初始采样点的Plast和PNow是相等的，q为过程噪声的协方差。当前时刻的卡尔曼增益Kg为：Kg=PNowPNow-R(11)式中：R为观测噪声的协方差。当前传播时间差输出结果tNow可由当前两个声道的测量值t1、t2和上一个输出结果tLast计算得出：tNow=tLast+Kg(k1t1+k2t2-tLast)(12)式中：tNow即为卡尔曼滤波的输出结果to。计算下一个采样点的预估协方差：PLast=(1-Kg)PNow(13)2 系统硬件电路设计双声道超声波流量计的系统硬件结构图如图 3 所示。系统采用低功耗单片机 STM32L431 为主控芯片，单片机主要负责控制声道切换电路完成声道切换，驱动TDC-GP22 模块和 LCD 屏，完成对测量数据的处理和计算。TDC-GP22 模块为高精度计时芯片，在单片机的驱动下发射和接收超声波，完成超声波传播时间的测量。电源模块提供 3.3 V 电压供电单片机，通过稳压芯片AMS1117 输出 3.0 V 电压为计时芯片供电。2.1 TDC-GP22 计时模块本系统采用 TDC-GP22 高精度时间数字转换芯片完成传播时间差的测量。该模块内部集成了温度测量电路、TDC 测量电路、时钟控制电路、高速脉冲信号发生电路10。计时芯片的 FIRE_UP 和 FIRE_DOWN 端口分别和两个超声波换能器相连。XIN 和 XOUT 两个端口连接 在 4 MHz 晶 振 电 路 上，用 于 内 部 时 钟 校 准。TDC-GP22 通过 SPI 通信与单片机进行信息交互。INTN 端与单片机的 IO 口相连，当达到了预设的采样数或者测量溢出，该端口为低电平。CLK32OUT 和 CLK32IN 端口为 32 kHz 晶振端口，其用于校准温漂较大的 4 MHz 高频陶瓷晶振。模块电路原理图如图 4 所示。2.2 声道切换电路系统选用双四通道模拟开关 CD4052 实现声道切换，其