摘要(yao):針對(dui)氣體(ti)超聲(sheng)流量(liang)計 在(zai)測量(liang)中存(cun)在回(hui)波信(xin)号衰(shuai)減大(da)、波形(xing)易受(shou)工況(kuang)影響(xiang)的🥵問(wen)題,提(ti)出了(le)一種(zhong)基于(yu)精度(du)高時(shi)差的(de)氣體(ti)超聲(sheng)流量(liang)測量(liang)方🤩法(fa)。該方(fang)法首(shou)先通(tong)過相(xiang)似度(du)評估(gu)回📞波(bo)信号(hao),對回(hui)波信(xin)号特(te)征點(dian)進行(hang)準确(que)定位(wei),進而(er)獲取(qu)飛行(hang)時間(jian)差的(de)粗測(ce)量值(zhi),其次(ci)選取(qu)特定(ding)回波(bo)波🏃形(xing)進行(hang)互相(xiang)關法(fa)計算(suan)獲得(de)時差(cha)的細(xi)測量(liang)值,最(zui)後🌈對(dui)兩次(ci)測量(liang)結果(guo)相加(jia)得到(dao)精🔞度(du)高時(shi)差,從(cong)而實(shi)現精(jing)度高(gao)的流(liu)量測(ce)量。不(bu)同⭐壓(ya)力下(xia)的聲(sheng)速測(ce)量實(shi)驗表(biao)明該(gai)方法(fa)在100kPa至(zhi)500kPa範圍(wei)内可(ke)準确(que)測量(liang)飛行(hang)時間(jian)和時(shi)差。氣(qi)體🥵流(liu)量計(ji)樣機(ji)的流(liu)量測(ce)量誤(wu)差小(xiao)于♌1%,重(zhong)複🈲性(xing)優于(yu)0.2%,并在(zai)大流(liu)量下(xia)與傳(chuan)統阈(yu)值法(fa)相比(bi)具有(you)更高(gao)的正(zheng)确率(lü)和更(geng)優的(de)重複(fu)性。
　　氣(qi)體超(chao)聲流(liu)量計(ji)以結(jie)構簡(jian)單、壓(ya)損低(di)、精度(du)高、量(liang)程寬(kuan)及易(yi)于維(wei)💃🏻護等(deng)優點(dian)，成爲(wei)天然(ran)氣貿(mao)易中(zhong)的重(zhong)要流(liu)量儀(yi)表。目(mu)前👉氣(qi)體超(chao)聲流(liu)量計(ji)測量(liang)方法(fa)多采(cai)用時(shi)差法(fa)，該方(fang)法通(tong)過超(chao)聲波(bo)在🏒管(guan)道内(nei)順、逆(ni)流傳(chuan)播的(de)飛行(hang)時間(jian)及聲(sheng)速來(lai)計算(suan)流量(liang)。飛行(hang)時間(jian)測量(liang)常采(cai)用曲(qu)線拟(ni)合法(fa)、互相(xiang)關法(fa)和阈(yu)值法(fa),其中(zhong)曲線(xian)拟合(he)法計(ji)算過(guo)程比(bi)較複(fu)雜,而(er)阈值(zhi)法與(yu)互相(xiang)關法(fa)的理(li)論成(cheng)熟,被(bei)廣泛(fan)應用(yong)于氣(qi)體超(chao)聲流(liu)量測(ce)量中(zhong)。阈值(zhi)法通(tong)過定(ding)位回(hui)波信(xin)号的(de)特征(zheng)點來(lai)測量(liang)飛行(hang)時間(jian),然而(er)測量(liang)工況(kuang)的變(bian)化會(hui)使特(te)征點(dian)定位(wei)錯誤(wu),導緻(zhi)測量(liang)結果(guo)誤差(cha)偏大(da)。對此(ci)基于(yu)回波(bo)信号(hao)峰值(zhi)的❗比(bi)例阈(yu)值法(fa),該方(fang)法通(tong)過回(hui)波峰(feng)值調(diao)整阈(yu)值來(lai)定位(wei)特征(zheng)點以(yi)求得(de)時差(cha)。基于(yu)分段(duan)🔅流速(su)的可(ke)變阈(yu)值法(fa),通過(guo)在不(bu)同流(liu)速下(xia)設置(zhi)不同(tong)阈值(zhi)對特(te)征點(dian)進行(hang)定位(wei)，進而(er)求得(de)時差(cha)。基于(yu)回波(bo)極🥵值(zhi)點的(de)幅值(zhi)對🏃🏻‍♂️阈(yu)值進(jin)行調(diao)節的(de)自适(shi)應阈(yu)值法(fa),該方(fang)法使(shi)用當(dang)前工(gong)況🔞下(xia)的回(hui)波極(ji)值點(dian)對❄️阈(yu)值進(jin)行修(xiu)正,進(jin)而準(zhun)确定(ding)位特(te)征點(dian)位置(zhi)并得(de)到時(shi)差。上(shang)述方(fang)法均(jun)根據(ju)不同(tong)的工(gong)況對(dui)阈值(zhi)進行(hang)調整(zheng),以提(ti)高時(shi)差測(ce)量精(jing)度,但(dan)面對(dui)複雜(za)的測(ce)量環(huan)境仍(reng)存在(zai)局限(xian)性🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。互(hu)相關(guan)法☀️通(tong)過将(jiang)順、逆(ni)流回(hui)波🛀🏻信(xin)号進(jin)行互(hu)相🌐關(guan)計算(suan)以得(de)到時(shi)差值(zhi),可以(yi)解決(jue)由于(yu)波形(xing)變化(hua)引起(qi)的特(te)👣征點(dian)定位(wei)錯誤(wu)問題(ti)。通過(guo)選取(qu)各換(huan)能器(qi)靜态(tai)下的(de)回波(bo)信⭐号(hao)均值(zhi)作爲(wei)互相(xiang)關計(ji)算的(de)參考(kao)信号(hao)以提(ti)高測(ce)量結(jie)果的(de)抗幹(gan)擾能(neng)力。提(ti)出了(le)使用(yong)實時(shi)動态(tai)參考(kao)波形(xing).進行(hang)互✊相(xiang)關計(ji)算的(de)方法(fa),有效(xiao)解決(jue)了由(you)環境(jing)因素(su)導緻(zhi)相關(guan)⭕性降(jiang)低⛷️的(de)問題(ti),然而(er)以上(shang)方法(fa)均存(cun)在計(ji)算量(liang)較大(da)的問(wen)題。
　　針(zhen)對阈(yu)值法(fa)與互(hu)相關(guan)法存(cun)在的(de)問題(ti),本文(wen)提出(chu)了基(ji)于相(xiang)似度(du)和互(hu)相關(guan)法的(de)精度(du)高時(shi)差測(ce)量方(fang)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonSimi-larityandCross-correlation,TDM-SC)。該(gai)方法(fa)通🔅過(guo)回波(bo)相似(si)度評(ping)估,實(shi)現特(te)征點(dian)的正(zheng)确定(ding)位，并(bing)結合(he)傳輸(shu)時差(cha)法與(yu)互相(xiang)關法(fa)分别(bie)對時(shi)差進(jin)行粗(cu)、細💰兩(liang)次測(ce)量,以(yi)提高(gao)其測(ce)量精(jing)度。
測(ce)量原(yuan)理
1.1時(shi)差法(fa)基本(ben)原理(li)
　　時差(cha)法超(chao)聲流(liu)量計(ji)的測(ce)量原(yuan)理如(ru)圖1所(suo)示。超(chao)聲換(huan)能器(qi)A,B分别(bie)安裝(zhuang)在流(liu)量計(ji)管道(dao)的上(shang)下遊(you)位置(zhi),超聲(sheng)🌐波從(cong)A傳播(bo)到B爲(wei)順流(liu)時間(jian)♉,超聲(sheng)波從(cong)B傳播(bo)到A爲(wei)逆流(liu)時間(jian)，流體(ti)流量(liang)與順(shun)、逆流(liu)時間(jian)差，的(de)關系(xi)如式(shi)(1)所示(shi):
 
　　式中(zhong):Q是管(guan)道中(zhong)氣體(ti)瞬時(shi)流量(liang)，D爲管(guan)道直(zhi)徑,△t是(shi)時差(cha),C爲聲(sheng)速🤞,α是(shi)信号(hao)傳播(bo)路徑(jing)與管(guan)道軸(zhou)線的(de)夾角(jiao)。由式(shi)(1)可知(zhi),時差(cha)測量(liang)🏃🏻精度(du)将直(zhi)接影(ying)響氣(qi)體超(chao)聲流(liu)量計(ji)流量(liang)計算(suan)的精(jing)度。
 
1.2時(shi)差測(ce)量方(fang)案
　　時(shi)差測(ce)量方(fang)法的(de)原理(li)如圖(tu)2所示(shi)。首先(xian)通過(guo)對采(cai)集🐇的(de)回波(bo)信号(hao)與參(can)考信(xin)号進(jin)行相(xiang)似度(du)計算(suan),獲得(de)回波(bo)特征(zheng)點。其(qi)次通(tong)過特(te)征點(dian)結合(he)采樣(yang)頻率(lü)得到(dao)“粗”時(shi)差值(zhi);同時(shi)以特(te)征點(dian)🆚作爲(wei)起始(shi)點來(lai)選取(qu)特定(ding)的☁️波(bo)形數(shu)據,并(bing)将選(xuan)取波(bo)形進(jin)行上(shang)采樣(yang)處理(li)，通過(guo)互相(xiang)關運(yun)算得(de)到“細(xi)”時差(cha)值,最(zui)終獲(huo)得精(jing)度高(gao)時差(cha)測量(liang)結果(guo)。
 
2基于(yu)相似(si)度的(de)特征(zheng)點定(ding)位
　　由(you)于噪(zao)聲幹(gan)擾和(he)測量(liang)環境(jing)會使(shi)回波(bo)信号(hao)的幅(fu)值發(fa)生👌變(bian)♍化，最(zui)終導(dao)緻回(hui)波信(xin)号起(qi)始點(dian)定位(wei)錯誤(wu)。因此(ci)需在(zai)回波(bo)信号(hao)上找(zhao)到一(yi)個穩(wen)定的(de)特征(zheng)點，如(ru)圖3所(suo)示。該(gai)特征(zheng)點與(yu)回波(bo)起始(shi)點之(zhi)間時(shi)間恒(heng)定,通(tong)過特(te)征點(dian)結合(he)采樣(yang)頻率(lü)計算(suan)得到(dao)順、逆(ni)流的(de)兩個(ge)特🚶征(zheng)飛行(hang)時間(jian)👈Tcharacter,将兩(liang)者相(xiang)減♋可(ke)抵消(xiao)固定(ding)時延(yan),從而(er)得到(dao)傳播(bo)時間(jian)📧差值(zhi)。
 
　　目前(qian)廣泛(fan)使用(yong)的特(te)征點(dian)定位(wei)方法(fa)是雙(shuang)阈值(zhi)法,其(qi)原理(li)如🧡圖(tu)4所示(shi)。第一(yi)阈值(zhi)線電(dian)壓值(zhi)約爲(wei)0.35V,0V幅值(zhi)線作(zuo)爲第(di)二阈(yu)♊值用(yong)于定(ding)位到(dao)過零(ling)采樣(yang)點,即(ji)回波(bo)特征(zheng)點。在(zai)不同(tong)流量(liang)或工(gong)況😍下(xia),回波(bo)🐇信号(hao)的幅(fu)值特(te)性會(hui)發生(sheng)變化(hua)。此時(shi)若采(cai)用固(gu)定阈(yu)值來(lai)确定(ding)回波(bo)信号(hao)特征(zheng)點，會(hui)造成(cheng)飛行(hang)時間(jian)測量(liang)存在(zai)數個(ge)周期(qi)的誤(wu)差。如(ru)圖4所(suo)示，當(dang)🧡環境(jing)壓力(li)從500kPa變(bian)化爲(wei)101kPa時,原(yuan)本通(tong)過第(di)一阈(yu)值定(ding)位的(de)第💃三(san)個波(bo)♻️形會(hui)錯誤(wu)💋地定(ding)位在(zai)第四(si)個波(bo)形，上(shang)引起(qi).測量(liang)🍓誤差(cha)。改進(jin)的阈(yu)值法(fa)結合(he)不同(tong)的工(gong)況來(lai)對阈(yu)值進(jin)行調(diao)整,然(ran)而在(zai)複雜(za)的測(ce)量環(huan)㊙️境下(xia)，這些(xie)方法(fa)依然(ran)存在(zai)一定(ding)局限(xian)性。
 
　　針(zhen)對以(yi)上問(wen)題，本(ben)文采(cai)用基(ji)于相(xiang)似度(du)的回(hui)波特(te)征點(dian)💞定⚽位(wei)方法(fa)來獲(huo)取特(te)征點(dian)。首先(xian)通過(guo)0V幅值(zhi)線獲(huo)得回(hui)波信(xin)号的(de)多個(ge)過零(ling)采樣(yang)點，以(yi)作爲(wei)“備選(xuan)”特征(zheng)點，即(ji)圖5方(fang)框内(nei)采樣(yang)點。随(sui)後将(jiang)采集(ji)得到(dao)的回(hui)波信(xin)号峰(feng)值電(dian)壓🐅與(yu)标準(zhun)工況(kuang)下的(de)峰✏️值(zhi)電壓(ya)進💰行(hang)相似(si)度🔴計(ji)算,從(cong)而正(zheng)确定(ding)位到(dao)回波(bo)特征(zheng)點。
 
　　回(hui)波信(xin)号相(xiang)似度(du)評估(gu)選擇(ze)标準(zhun)工況(kuang)下的(de)參考(kao)回波(bo)信🐆号(hao)I和實(shi)測回(hui)波信(xin)号J作(zuo)爲相(xiang)似估(gu)計對(dui)象。參(can)考信(xin)号第(di)2,3,4峰值(zhi)電壓(ya)值⭐與(yu)實測(ce)信号(hao)各個(ge)峰值(zhi)電壓(ya)值xi,xj爲(wei)特征(zheng)參數(shu),參數(shu)數量(liang)n取3。通(tong)過計(ji)算,選(xuan)取與(yu)參考(kao)回波(bo)信号(hao)歐氏(shi)距離(li)最小(xiao)的一(yi)組實(shi)測回(hui)波信(xin)号峰(feng)值,即(ji)實際(ji)回波(bo)信号(hao)的第(di)2,3,4波峰(feng)值,将(jiang)特征(zheng)點準(zhun)确定(ding)位👈到(dao)實際(ji)回波(bo)信号(hao)第2波(bo)後的(de)過⭐零(ling)點,即(ji)圖5中(zhong)點🚩P2。
3精(jing)度高(gao)時差(cha)的測(ce)量
3.1粗(cu)時差(cha)測量(liang)
　　激勵(li)信号(hao)驅動(dong)超聲(sheng)換能(neng)器發(fa)射聲(sheng)波後(hou),采樣(yang)電路(lu)開始(shi)進行(hang)回🐅波(bo)信号(hao)采集(ji)。超聲(sheng)波順(shun)、逆流(liu)傳播(bo)的飛(fei)行時(shi)間tui和(he)tdi通過(guo)✏️其對(dui)應采(cai)樣點(dian)數n與(yu)采樣(yang)間隔(ge)T的乘(cheng)🈲積表(biao)示,求(qiu)得粗(cu)時差(cha)值,計(ji)算如(ru)式(3)所(suo)示:
 
　　式(shi)中:n1和(he)n2分别(bie)爲順(shun)、逆流(liu)下回(hui)波信(xin)号特(te)征點(dian)對應(ying)的采(cai)樣點(dian)數。
3.2細(xi)時差(cha)測量(liang)
3.2.1波形(xing)選取(qu)與上(shang)采樣(yang)處理(li)
　　針對(dui)互相(xiang)關計(ji)算過(guo)程中(zhong)運算(suan)量較(jiao)大的(de)問題(ti),選擇(ze)回波(bo)信号(hao)特征(zheng)點後(hou)三個(ge)周期(qi)的采(cai)樣點(dian)作爲(wei)待處(chu)理數(shu)據以(yi)降低(di)運算(suan)量。具(ju)體信(xin)号如(ru)圖6虛(xu)線方(fang)框内(nei)🌍點所(suo)示。
 
　　對(dui)選取(qu)信号(hao)進行(hang)上采(cai)樣處(chu)理來(lai)提高(gao)采樣(yang)率。上(shang)采樣(yang)處理(li)包括(kuo)數據(ju)的插(cha)值和(he)低通(tong)濾波(bo)兩個(ge)步驟(zhou)。首先(xian)将采(cai)集到(dao)的數(shu)據量(liang)爲N的(de)原始(shi)信号(hao)x[n]中每(mei)兩個(ge)采🏃樣(yang)點之(zhi)間插(cha)人L-1個(ge)零值(zhi)得到(dao)信号(hao)xu[n],如式(shi)❌(4)所示(shi):
 
　　爲了(le)更好(hao)地觀(guan)察信(xin)号處(chu)理前(qian)後的(de)頻率(lü)特性(xing),通過(guo)式(5)、式(shi)(6)将信(xin)💃🏻号🏃🏻x[n]、xu[n]轉(zhuan)移到(dao)頻域(yu),如式(shi)(7)所示(shi),并得(de)到幅(fu)度譜(pu)圖,如(ru)圖7(a)、圖(tu)💛7(b)所示(shi)。
 
　　對于(yu)因子(zi)爲L的(de)插零(ling)擴展(zhan),相較(jiao)于圖(tu)7(a),插值(zhi)後的(de)信号(hao)在基(ji)帶_上(shang)有L-1個(ge)額外(wai)的原(yuan)信号(hao)譜鏡(jing)像産(chan)生。随(sui)後通(tong)㊙️過低(di)通濾(lü)波濾(lü)除這(zhe)L-1個鏡(jing)像,等(deng)同于(yu)将内(nei)插樣(yang)本值(zhi)“填入(ru)”到xu[n]中(zhong)的零(ling)☁️樣本(ben)，上，實(shi)現原(yuan)采集(ji)信号(hao)x[n]的上(shang)采樣(yang)處理(li)。
設計(ji)的低(di)通濾(lü)波器(qi)的頻(pin)域表(biao)達爲(wei)式(8):
 
 
　　當(dang)C=L時滿(man)足零(ling)初始(shi)條件(jian),濾波(bo)器的(de)頻域(yu)表達(da)如式(shi)(10)所示(shi):
 
　　采樣(yang)信号(hao)x[n]與經(jing)過L=20進(jin)行上(shang)采樣(yang)處理(li)後信(xin)号xu[n]的(de)數據(ju)與幅(fu)度譜(pu)圖如(ru)圖8(a)和(he)圖8(b)所(suo)示,結(jie)果表(biao)明上(shang)采樣(yang)處理(li)後的(de)信号(hao)采樣(yang)率增(zeng)大了(le)💯20倍,同(tong)時處(chu)理後(hou)的數(shu)據曲(qu)線光(guang)滑,證(zheng)明上(shang)采樣(yang)處理(li)符合(he)預期(qi)效果(guo)。
 
3.2.2互相(xiang)關計(ji)算
　　将(jiang)順、逆(ni)流回(hui)波信(xin)号的(de)原始(shi)采樣(yang)數據(ju)進行(hang)上采(cai)樣🚶處(chu)理得(de)到xu(n)、yu(n)後(hou),通過(guo)離散(san)互相(xiang)關運(yun)算式(shi)(11)得到(dao)互相(xiang)關函(han)數Rxy(m):
 
　　式(shi)中:m=(-N+1,N-1),N爲(wei)回波(bo)數據(ju)的信(xin)号長(zhang)度。如(ru)圖9所(suo)示，互(hu)相關(guan)函數(shu)Rxy(m)的峰(feng)☁️值B所(suo)對應(ying)的時(shi)間值(zhi)即爲(wei)兩信(xin)号時(shi)差。爲(wei)了進(jin)一🥵步(bu)提高(gao)時♍差(cha)精度(du),選取(qu)互相(xiang)關函(han)數Rxy(m)中(zhong)峰值(zhi)處的(de)三個(ge)最高(gao)點A、B、C進(jin)行曲(qu)🐅線拟(ni)合以(yi)得到(dao)更精(jing)确的(de)峰值(zhi)D(max，ymax)。
通過(guo)式(12)得(de)到xmax對(dui)應的(de)細時(shi)差值(zhi)△tcorr，其中(zhong)T爲采(cai)樣間(jian)隔。
 
4系(xi)統實(shi)現
4.1硬(ying)件設(she)計
　　采(cai)用MSP430F6638芯(xin)片作(zuo)爲核(he)心控(kong)制單(dan)元,負(fu)責整(zheng)個測(ce)量過(guo)程中(zhong)時序(xu)和✊所(suo)屬電(dian)路的(de)控制(zhi)。FPGA模塊(kuai)用以(yi)産生(sheng)驅動(dong)電路(lu)的🐇觸(chu)發脈(mo)沖以(yi)及對(dui)采樣(yang)數據(ju)進行(hang)實時(shi)獲取(qu)與🌂存(cun)儲,如(ru)圖10所(suo)示。包(bao)括兩(liang)⭕路激(ji)勵電(dian)路、切(qie)🌈換接(jie)收電(dian)路、回(hui)波信(xin)号⭐處(chu)理電(dian)路(濾(lü)波放(fang)大電(dian)路、回(hui)波到(dao)達電(dian)路、峰(feng)值檢(jian)測電(dian)路)和(he)信号(hao)采樣(yang)電路(lu)等。激(ji)勵電(dian)路将(jiang)觸發(fa)脈沖(chong)進行(hang)推挽(wan)放大(da)後輸(shu)人到(dao)超聲(sheng)波換(huan)能器(qi)并使(shi)其發(fa)射超(chao)聲波(bo)。回波(bo)信号(hao)接收(shou)後🌈經(jing)過回(hui)波到(dao)達探(tan)測電(dian)路産(chan)生一(yi)個回(hui)波到(dao)達信(xin)号再(zai)輸💚入(ru)到單(dan)片機(ji)。MSP430單片(pian)機通(tong)過内(nei)部AD對(dui)經過(guo)峰值(zhi)檢測(ce)電路(lu)的📧回(hui)波信(xin)号進(jin)行采(cai)集,獲(huo)得回(hui)波的(de)最大(da)峰值(zhi)。放大(da)後的(de)回💋波(bo)信号(hao)由FPGA配(pei)合高(gao)速AD以(yi)及RAM進(jin)☎️行模(mo)數轉(zhuan)換和(he)數據(ju)存儲(chu),采集(ji)到的(de)數據(ju)通過(guo)485通信(xin)電路(lu)🥰傳輸(shu)到計(ji)算機(ji)進行(hang)數據(ju)處理(li)。
 
　　電路(lu)采用(yong)的超(chao)聲換(huan)能器(qi)中心(xin)頻率(lü)爲200kHz,驅(qu)動信(xin)号幅(fu)值爲(wei)20V。采樣(yang)電😄路(lu)中高(gao)速采(cai)集芯(xin)片選(xuan)用AD9237-40,采(cai)樣頻(pin)率設(she)定爲(wei)🧡5MHz。
4.2軟件(jian)設計(ji)
　　軟件(jian)設計(ji)包含(han)MSP430程序(xu)和MATLAB程(cheng)序兩(liang)個部(bu)分，如(ru)圖11所(suo)示。
 
　　MSP430程(cheng)序流(liu)程如(ru)下所(suo)述。系(xi)統初(chu)上電(dian)後,MSP430F6638将(jiang)對I0口(kou)、定時(shi)器及(ji)❤️FPGA模塊(kuai)等各(ge).個參(can)數進(jin)行初(chu)始化(hua)并進(jin)人低(di)功耗(hao)模式(shi)。定時(shi)器達(da)到0.5s時(shi),微處(chu)理器(qi)控制(zhi)FPGA芯片(pian)産生(sheng)激勵(li)信号(hao)輸人(ren)到指(zhi)定的(de)發射(she)換能(neng)器中(zhong)。當單(dan)片機(ji)接收(shou)到回(hui)波到(dao)達🧑🏾‍🤝‍🧑🏼信(xin)号後(hou)，,微控(kong)制器(qi)使能(neng)FPGA對處(chu)理後(hou)的回(hui)波🌍信(xin)号進(jin)行采(cai)樣并(bing)存儲(chu)在FPGA的(de)RAM中,同(tong)時開(kai)啓單(dan)片機(ji)内部(bu)AD對回(hui)波最(zui)大峰(feng)值電(dian)壓進(jin)行采(cai)集。随(sui)後，通(tong)過上(shang)位✊機(ji)通訊(xun)将采(cai)集到(dao)的回(hui)波數(shu)據傳(chuan)輸到(dao)MATLAB程序(xu)。MATLAB程序(xu)首先(xian)⭐根據(ju)回波(bo)相似(si)度計(ji)算定(ding)位到(dao)回波(bo)👌信号(hao)的特(te)征點(dian)，其次(ci)以特(te)征點(dian)爲基(ji)礎結(jie)合✏️采(cai)樣頻(pin)率和(he)互相(xiang)關法(fa)得到(dao)精度(du)高的(de)飛行(hang)時間(jian)差以(yi)及實(shi)時⛹🏻‍♀️聲(sheng)速值(zhi)，利用(yong)時差(cha)法計(ji)算式(shi)(1)得到(dao)瞬時(shi)流量(liang)值。
5實(shi)驗驗(yan)證
　　爲(wei)評估(gu)方法(fa)法的(de)有效(xiao)性，采(cai)用壓(ya)力實(shi)驗驗(yan)證時(shi)間差(cha)測量(liang)的🥵穩(wen)定性(xing),進而(er)通過(guo)流量(liang)實驗(yan)驗證(zheng)整體(ti)算法(fa)的精(jing)度。
5.1壓(ya)力實(shi)驗研(yan)究
　　裝(zhuang)置如(ru)圖12所(suo)示,包(bao)括氮(dan)氣鋼(gang)瓶和(he)密封(feng)管路(lu)裝置(zhi)等。選(xuan)擇101kPa、200kPa、300kPa、400kPa及(ji)500kPa五個(ge)壓力(li)點進(jin)行相(xiang)關的(de)壓力(li)。
 
　　采用(yong)本文(wen)的信(xin)号處(chu)理方(fang)法和(he)基于(yu)TDC-GP22測量(liang)模塊(kuai)的傳(chuan)統♻️雙(shuang)阈值(zhi)法時(shi)差測(ce)量方(fang)法(TimeDifferenceMeasurementMethodbasedonTDC-GP22ModuleofDoubleThresholdMethod，TDM-DT)進(jin)行對(dui)比。由(you)于在(zai)測量(liang)過程(cheng)中時(shi)差值(zhi)難以(yi)直觀(guan)表示(shi),而聲(sheng)速測(ce)量與(yu)時差(cha)✂️測量(liang)均以(yi)飛行(hang)📧時間(jian)爲基(ji)礎,因(yin)此在(zai)各個(ge)壓力(li)下比(bi)較兩(liang)種方(fang)法測(ce)量得(de)❓到的(de)聲速(su)值與(yu)理論(lun)聲速(su)值來(lai)間接(jie)驗證(zheng)測量(liang)的穩(wen)定性(xing)，結果(guo)如表(biao)1所示(shi)。
 
　　由表(biao)1可知(zhi),使用(yong)基于(yu)回波(bo)相似(si)度進(jin)行特(te)征點(dian)定位(wei)的方(fang)法測(ce)得👅的(de)5個壓(ya)力試(shi)驗點(dian)下聲(sheng)速值(zhi)均與(yu)理論(lun)☀️聲速(su)吻合(he),最大(da)🔴誤差(cha)僅爲(wei)-0.13m/s。而傳(chuan)統雙(shuang)阈值(zhi)法計(ji)算得(de)到的(de)聲速(su)在101.9kPa、203.2kPa及(ji)305.5kPa下與(yu)理論(lun)聲速(su)🌈吻合(he)，但在(zai)405.2kPa壓力(li)下與(yu)理論(lun)聲速(su)産生(sheng)明顯(xian)偏差(cha),與此(ci)同時(shi)壓力(li)越大(da),偏差(cha)數值(zhi)越大(da)。而在(zai)509.5kPa下,聲(sheng)速測(ce)量值(zhi)與理(li)論聲(sheng)速差(cha)值高(gao)達7.89m/s。實(shi)驗結(jie)果證(zheng)明基(ji)于回(hui)波相(xiang)似度(du)的特(te)征點(dian)定位(wei)信号(hao)處理(li)⁉️方法(fa)能✨在(zai)不同(tong)壓力(li)下實(shi)現飛(fei)行時(shi)間差(cha)測量(liang)的正(zheng)确率(lü)。
5.2流量(liang)實驗(yan)研究(jiu)
　　選用(yong)圖13所(suo)示精(jing)度等(deng)級爲(wei)0.25級的(de)LQB-1000臨界(jie)流文(wen)丘裏(li)音速(su)噴嘴(zui)校準(zhun)裝置(zhi),采用(yong)管徑(jing)爲50mm的(de)氣體(ti)超聲(sheng)流量(liang)測量(liang)系統(tong)樣機(ji)，流量(liang)範圍(wei)爲2m'/h~160m'/h。根(gen)據超(chao)聲流(liu)量計(ji)檢定(ding)規程(cheng)🎯《JJG1030-2007超聲(sheng)流量(liang)計》,選(xuan)🔞擇分(fen)界流(liu)量點(dian)爲16m2/h。各(ge)個流(liu)量檢(jian)定點(dian)爲Qmin、Qt、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax,和(he)Qmax，每個(ge)✉️流量(liang)點測(ce)量90s。将(jiang)測量(liang)得到(dao)的流(liu)量值(zhi)和标(biao)🌈準裝(zhuang)置的(de)平均(jun)流量(liang)值進(jin)🤩行比(bi)較,計(ji)算誤(wu)差并(bing)進行(hang)✍️三次(ci)實驗(yan)來得(de)🔞到重(zhong)複性(xing)。基于(yu)♈TDM-SC與TDM-DT兩(liang)種方(fang)法的(de)測量(liang)結果(guo)如表(biao)🥰2所示(shi)。
 
　　表2數(shu)據表(biao)明，基(ji)于TDM-SC的(de)氣體(ti)超聲(sheng)流量(liang)測量(liang)系統(tong)測量(liang)誤差(cha)小于(yu)1%,重複(fu)性優(you)于0.2%,符(fu)合一(yi)級表(biao)的要(yao)求。同(tong)時在(zai)大流(liu)💋量下(xia),方法(fa)依然(ran)能保(bao)持低(di)于1%的(de)測量(liang)誤差(cha)和良(liang)好的(de)重複(fu)性。
 
6結(jie)論
　　提(ti)出了(le)基于(yu)精度(du)高時(shi)差的(de)氣體(ti)超聲(sheng)流量(liang)測量(liang)方法(fa),該方(fang)法通(tong)過回(hui)波相(xiang)似度(du)評估(gu)對回(hui)波特(te)征點(dian)進行(hang)準确(que)定位(wei),在特(te)征點(dian)基礎(chu)上結(jie)合傳(chuan)輸時(shi)間法(fa)與🌏互(hu)相關(guan)法對(dui)時差(cha)進行(hang)粗、細(xi)兩次(ci)測量(liang)以得(de)到準(zhun)确的(de)時差(cha)值，最(zui)終實(shi)現精(jing)度高(gao)的流(liu)量測(ce)量。　結(jie)果表(biao)明💋,該(gai)方法(fa)在100kPa至(zhi)500kPa的壓(ya)力下(xia)能對(dui)時差(cha)進行(hang)準确(que)測量(liang)。系統(tong)樣機(ji)的流(liu)㊙️量測(ce)量精(jing)度滿(man)足1級(ji)精度(du)的要(yao)求,并(bing)在大(da)流量(liang)下測(ce)量誤(wu)差和(he)重複(fu)性優(you)于傳(chuan)統雙(shuang)阈值(zhi)法。

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