参考文献4-相关法在超声波流量计设计中的应用

x ( n/ L ) n = 0 , ±L , ±2 L , …
v ( n) = 0
n 为其它值 (4)
记 x ( n) , v ( n) 的 DF T 分 别 为 X (ejωx) 和
V (ejωx) ,由于
ωy = 2πf / f y = 2πf / L f x = ωy/ L (5)
当延时β ≠Δt 时 , R xy (β) 的值很小 ;当β = Δt 时 ,两组信号重合 , R xy (β) 达到最大.
测量两组信号的相位差时 ,对两组接收信号 用高速 A/ D 同时采样 ,把模拟量转化为两组数字 量 ,对两组信号作相关运算. 当两组信号重合时 , R xy (β) 达到最大 ,这时的Δt 即是两组信号的时 差 ,Δt/ T·2π则为相位差. 若直接进行相关处理 , 其时间分辨率仅为采样周期 ,分辨率不高. 可对这 两组数字量进行插值 ,然后将插值后的两组数字 量进行相关处理 ,就可以取得较高的时间分辨率 , 提高精度[6 ] .
Key words : ult rasonic flow meter ; digital signal processor ; correlation algorit hm ; interpolation algorit hm ; phase difference measurement
超声波流量计是一种非接触式仪表 ,在石油 、 医药 、水资源管理等领域有着广泛的应用 ,其应用 的关键参数为测量精度. 超声波流量计有多种测 量方法 ,相位差法是其中的一种. 然而传统的相位 差测量方法抗干扰能力差[1 ] ,对此本文提出了以 相关原理来测量相位差的方法. 它具有较高的抗 干扰能力 ,且加入插值算法更能提高测量的精度.
为 1 M Hz.
412 插值点确定
当时间分辨率定为 50 ns 时 ,为了达到此精
度 ,系统的采样频率须达到 20 M Hz ,而实际的采
样率只有 1 M Hz ,二者相差 20 倍 ,所以需要在每
两个采样点之间插 20 个零.
413 采样位数的计算
插值后每个周期有 (1 000 kHz/ 50 kHz) ×20 =
延迟 ,此时两组信号的互相关函数为
T
∫ R xy (β)
=
lim
T →∞
1 T
X ( t - β) Y ( t) d t (3)
0
图 2 两路接收信号及互相关函数 Fig12 Two2channel receiving signal and
correlation f unction a. 两路接收信号 b. 两组信号的互相关函数
图 1 相差法测量方法结构图 Fig11 Structural diagram of phase difference
measuring method
2 相关原理在相位差测量中的应用
相位差 法 测 量 的 物 理 量 是 两 组 信 号 的 相 位
差. 当发射是连续的超声波脉冲 ,或周期较长的脉
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沈 阳 工 业 大 学 学 报
第 30 卷
Baidu Nhomakorabea
体中顺流传播时 ,速度将加快 ,逆流传播时速度会 减小 ,两个速度的差值越大 ,表明流体流速越快 , 反之则慢.
多普勒法是根据物理学中的多普勒效应来实 现的[4 ] . 这种方法主要用于精度不高 、含有固体 颗粒及杂质比较多的场合 ,而在比较洁净的流体 中就难以发挥作用.
第30卷 第2期 2008年4月
沈 阳 工 业 大 学 学 报
Journal of She nya ng U niv ersi ty of Technology
Vol130 No12 Apr1 2 0 0 8
文章编号 : 1000 - 1646 (2008) 02 - 0207 - 05
Application of correlation method in design of ultrasonic flo w meter
YU Guang2ping , CHEN Qiang
(School of Information Science and Engineering , Shenyang University of Technology , Shenyang 110023 , China)
=
π
∫ C
L
1 2π-π
X1
(ej
Lωx
)
dωx
=
C L
x
(0)
(9)
所以应取 C = L ,以保证 y (0) = x (0) .
所以有
H (ejωy) = L 0
ωy ≤π/ L 其它
(10)
其算法的流程如图 4 所示.
图 4 算法流程图 Fig14 Flow chart of algorithm
器的频域为
H (ejωv) =
C 0
ωy ≤π/ L 其它
(7)
则
H (ejωy) = H (ejωy) X (ejωx ) = X (ej Lωy)
ωy ≤π/ L
(8)
因为
π
π/ L
∫ ∫ x1 (0)
=
1 2π-π
Y
(ejωy
)
dωy
=
C
2π-π/
L
X1
(ej Lωy )
dωy
1 超声波流量计常用测量方法及工 作原理
用超声波测量流量的方法有传播速度差法 (包括 :时差法 、相位差法 、频差法) 、多普勒法 、相 关法 、波束偏移法等[2 ] .
传播速度差法是利用超声波沿流体顺流和逆 流传播时的不同速度来测量流速的. 超声波在流
收稿日期 : 2006 - 11 - 24. 作者简介 : 于光平 (1951 - ) ,男 ,辽宁沈阳人 ,教授 ,主要从事精密测量与控制 、基于计算机视觉的三维测量等方面的研究.
冲时 ,两接收探头收到的信号之间就会产生相位
差 ,其相位差反应了流速的大小[4 ] . 产生的相差
Δφ = 2πfΔt
(1)
式中 : f ———超声波频率 ; Δt ———时差.
由此可计算出流速
v
=
c2Δφ 2 dtanθ·2πf
=
kΔt
(2)
式中 : c ———超声波在静止流体中的传播速度 ;
4 关键参数的计算
411 超声波频率的确定
超声波最低频率是 20 kHz. 在水中的传播速
度约为 1 500 m/ s. 图 1 中 C 、D 两点处测得的波
形形状一样 ,有一定的相位差 ,其相位差与水的流
速 、管道的直径有关.
若超声波的频率选为 50 kHz. 根据抽样定
理[8 ] ,AD 采样率应为 100 K 以上 ,取 AD 采样率
因此
∞
∑ V (ejωy) =
v ( n) ej nωy) =
n=- ∞
∞
∑x ( n/ L ) ej nωy (6)
n=- ∞
若令 z = ejωy ,则 V ( z ) = X ( zL )
图 3 插值前后的频谱 Fig13 Frequency spectrum before and after interpolation
相关法 测 量 原 理 是 测 出 流 体 在 管 道 内 流 动 时 ,流动介质中可以观测到的某种示踪标记沿流 动方向两固定点所渡越的时间 ,以此来求取流速 及流量. 相关法测量的精度较高 ,多用于两相流的 流速测量中. 可以在测试系统中采用 3 个甚至更 多的控制截面来提高测量的精度. 其缺点是需要 多个传感器 ,成本较高.
v ———流体的速度 ;
d ———管道内径.
传统的相位差测量方法是将两个同频被测信
号整形为两个方波信号 ,其前后沿分别对应于被
测信号的正向过零点和负向过零点 ,再用填充计
数法测量出这两个同频方波的前沿 (或后沿) 之间
的时间差 ,即求出这两个被测信号之间的相位
差[5 ] . 这种相位差测量方法要求被测信号在过零
Abstract : In design of ult rasonic flow meter , when t he flow was measured using phase difference met hod , t he measurement accuracy will be seriously affected because t he noise signal influences t he zero point wave shape of t he measured signal. Aim at t he above problem , t he usual met hods of measuring t he flow by ult rasonic as well as bot h correlation and interpolation principles were discussed. For designing an ult rasonic flow meter , t he application of correlation principle in measuring flow by phase difference met hod was explored. The calculating approach of key parameters in correlation algorit hm was given , and t he effect of interpolation algorit hm in improving measurement precision was investigated. The system was simulated using Matlab software. The result s show t hat t he measurement accuracy and anti2dist urbance ability of ult rasonic flow meter get significantly enhanced when bot h correlation principle and interpolation algorit hm are used for measuring flow by phase difference met hod.
相关法在超声波流量计设计中的应用
于光平 , 陈 强
(沈阳工业大学 信息科学与工程学院 , 沈阳 110023)
摘 要 : 针对超声波流量计设计中采用相位差法测量流量时干扰信号影响被测信号过零时刻波 形 ,从而严重影响测量精度的问题 ,讨论了利用超声波测量流量的常用方法以及相关原理和插值 原理 ,论述了超声波流量计设计时相关原理在相位差法测量流量中的具体应用 ,研究了相关算法 中关键参数的计算方法以及插值算法对提高测量精度的作用. 利用 Matlab 软件对系统进行了仿 真 ,结果表明 :将相关算法和插值算法应用于相位差法流量测量中 ,可提高超声波流量计的测量精 度和抗干扰能力. 关 键 词 : 超声波流量计 ; 数字信号处理器 ; 相关算法 ; 插值算法 ; 相位差测量 中图分类号 : TH 814192 文献标志码 : A
3 插值原理
若将数字信号 x ( n) 的采样频率提高 L 倍 , 得到 v ( n) , 则需要对信号进行插值处理. 一个简
第2期
于光平 ,等 : 相关法在超声波流量计设计中的应用
209
单的方法就是在 x ( n) 的每相邻的两个点之间补
( L - 1) 个 0 ,而后再对该信号进行低通滤波 ,即有
点时刻的波形准确 ,若被测信号受到干扰 ,将会改
变被测信号前沿 (或后沿) 的位置 ,从而使测出的
相位差产生错误 ,严重影响测量的精度. 相关算法
具有较高的抗干扰性 ,所以本文提出用相关算法
来测量相位差.
图 1 中 , 探头 C、D 接收到的信号为 X ( t) 、
Y ( t) ,如图 2 所示. Y ( t) 是 X ( t) 的一个简单的
a1 插值前的频谱 b1 插值后的频谱
ω( x ) 的周期为 2π,ω( y) 为 2πL . 式 (6) 说明 V (ejωy) 是将原来的信号 X (ejωx) 作周期的压缩.
由图 3 可以看出插值后 , 在原 ω( x ) 的一个周期 内 , V (ejωy) 变成了 L 个周期 ,多余的 ( L - 1) 周期 为 X (ejωx) 的映像 ,需用低通滤波器去掉 , 其滤波