基于歸一化LMS濾波校正的液位測量系統設計

吳作鵬 吳明生 張 成 魏家叁 趙 紅

（甘肅銀光化學工業集團聚銀公司）

基于核輻射法［1］液位測量原理設計了一種液位測量系統，該系統以STM32［2］為控制核心，利用放射性同位素在衰變過程中產生的γ射線， 射線穿過液體前后強度會發生變化。 系統測量穿過介質后的射線強度，進而得出液位高度。 采用HART總線［3］HT1200M芯片對信號進行傳輸與接收，實現實時遠程測量；通過歸一化LMS濾波算法［4，5］進行權矢量［6］迭代、權系數［7］更新，并對測得的結果進行濾波處理，以提高液位計的測量精度。

1 測量系統

1.1 核輻射法測量原理

射線透過液體后的強度與液體高度成反比，即液體越高強度越低，假設入射強度為H0，其強度衰減關系為：

式中 H——衰減后的射線強度；

H0——原始射線強度；

T——液體高度；

μ——介質對放射線的吸收系數。

1.2 系統框架

核輻射法液位測量系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 液位測量系統總體結構框圖

射線探頭接收發射源發射的穿過介質后的射線，通過STM32進行捕獲，把捕獲到的脈沖頻率轉換成液位高度，微處理器將當前結果進行歸一化LMS濾波后轉換成對應的4～20mA電流傳送到HART總線。對控制系統從HART總線接收的數據分析后來控制電動閥調節進料。

2 硬件

2.1 總體硬件結構

系統采用STM32處理器捕獲脈沖信號以準確計數，系統總體硬件結構框圖如圖2所示。

脈沖接收電路接收穿過液體的射線，上位機顯示操作界面，HART通信模塊作為儀表與外部信息交換的接口進行遠程通信。

2.2 HART通信模塊

HART通信模塊對系統轉換后的電流信號進行傳輸，并對系統實現控制，是整個系統進行通信的關鍵。 系統的HART通信模塊結構如圖3所示。

圖2 總體硬件結構框圖

圖3 HART通信模塊結構

STM32 通過通用串行收發模塊UART 與HT1200M通信，在系統的調試過程中可以通過手操器進行設置與修改。

3 軟件

3.1 總體流程

系統軟件能夠實現對脈沖信號的捕捉、計數及統計測量結果等功能， 具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

射線接收器輸出的脈沖被STM32捕獲后進行計數， 測量系統經過歸一化LMS濾波算法后，顯示、讀取計數，從而計算液位高度與相關參數。

3.2 系統去噪

在工業現場，液位計的安裝位置受到罐體位置的影響，射線在穿透過程中會受到液位計自身結構的阻擋導致測量誤差較大。 筆者采用歸一化LMS濾波算法進行液位校正， 減小由罐體結構和液位計自身結構阻擋帶來的誤差。

歸一化LMS算法利用可變的收斂因子μk讓收斂速度更快，具體公式如下：

式中 e（k）——誤差；

w（k）——濾波器權矢量；

x（k）——濾波器輸入；

Δw（k）——濾波器權矢量增量。

在歸一化過程中μk的選取通過對瞬時平方誤差e2（k）進行簡單估計實現。 e2（k）的計算式如下：

e2（k）=d2（k）+wT（k）x（k）xT（k）-2d（k）wT（k）x（k） （3）

式中 d（k）——期望響應；

e2（k）——平方誤差。

于是有：

圖5 LMS自適應濾波原理

圖5中有：

自適應濾波過程為使E［H2（k）］最小。 均方誤差E［H2（k）］最小等價于式（7）第2項值最小，即：

在自適應LMS準則下，E［（S（k）-Y（k））2］最小，系統輸出信號T（k）為最佳估計，最大程度減小了噪聲的影響，從而提高了測量精度。

4 數據測試與誤差分析

為了驗證液位測量系統的測量精確度，采用規則矩形儲液罐體進行數據測試， 對LMS濾波算法校正前、后標準值與測量值液位進行對比。 在有噪聲干擾環境狀況下， 連續測量液位數據15組，測量結果見表1。 校正前測量液位最小誤差為7.30mm，最小相對誤差為1.05%，與液位測量系統固有缺陷（即噪聲干擾）一致；校正后液位最大誤差為4.20mm，最大相對誤差為0.53%。

表1 LMS濾波算法校正前、后液位測量數據

5 結束語

筆者設計了一套新的液位測量系統，在原輻射法測量液位原理的基礎上加入了歸一化LMS濾波算法以降低工業環境中測量液位的誤差，該系統可以對工業環境中高溫高壓介質進行準確測量，誤差較小，符合工業環境對液體介質測量的精確度要求，能夠在復雜的工業環境中應用并提高自動化程度。