馬勤勇

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)

0 引言

超聲波流量計(jì)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、無壓力損失等優(yōu)點(diǎn),可用于液體、氣體的流量測(cè)量[1-2]。近年來,超聲波氣體流量計(jì)發(fā)展迅速,在天然氣計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

超聲波氣體流量計(jì)的精度主要取決于渡越時(shí)間的測(cè)量精度。然而對(duì)于不同于超聲波液體流量計(jì)而言,由于超聲波在氣體介質(zhì)中傳播衰減大,且易受氣載噪聲的干擾,使超聲波接收信噪比低,渡越時(shí)間的測(cè)量變得復(fù)雜。常用的渡越時(shí)間檢測(cè)方法主要有互相關(guān)法、閾值法、多普勒法等。由于多普勒法依賴反射介質(zhì),主要應(yīng)用于液體流量測(cè)量,因此互相關(guān)法和閾值法是超聲波氣體流量計(jì)中應(yīng)用更廣泛的技術(shù)。

互相關(guān)法根據(jù)參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的整體相似性來確定間隔時(shí)間。高巖峰等闡述了互相關(guān)法在低壓氣體測(cè)量中有較好的應(yīng)用[5]。王銘學(xué)等提出了通過回波法獲得參考波形,并根據(jù)第二次反射的回波與直接接收波形進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在流量試驗(yàn)中取得了較好的測(cè)量結(jié)果[6]。然而,該方法多次反射后的回波幅值很弱,在大口徑管道中幾乎全被噪聲淹沒,難以正常測(cè)量。周洪亮等提出了平均參考波形法,通過對(duì)順逆流兩組接收波形進(jìn)行平均獲得參考波形。試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的精度[7]。但是,該參考波形是在靜態(tài)無風(fēng)環(huán)境中獲得的,環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)密度等因素的變化都可引起接收波形的局部形狀發(fā)生緩變,因此該參考波形需要經(jīng)常更新,在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)施。

閾值法的測(cè)量原理是將超聲波接收信號(hào)與閾值電平進(jìn)行比較,當(dāng)接收信號(hào)幅度達(dá)到閾值時(shí),認(rèn)為超聲波回波信號(hào)已經(jīng)到達(dá)。閾值法分為固定閾值法、雙閾值法、比例閾值法等。固定閾值法依賴于接收信號(hào)的高信噪比,但超聲波在氣體介質(zhì)中衰減嚴(yán)重、信噪比低,導(dǎo)致采用固定閾值法易出現(xiàn)“跳周”現(xiàn)象,測(cè)量誤差大。雙閾值法采用第一閾值識(shí)別噪聲信號(hào)、第二閾值檢測(cè)超聲渡越時(shí)間,可以避免噪聲的尖峰干擾影響測(cè)量精度[8]。但實(shí)際應(yīng)用中,雙閥值法很難保證兩個(gè)閾值工作的協(xié)調(diào)性。穆立彬等提出了可變閾值方法[9]。該方法通過判斷接收波形局部峰值差異最大的區(qū)間,在此設(shè)置比例閾值完成渡越時(shí)間的測(cè)量。該方法中閾值的確定缺乏魯棒性,流量計(jì)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性難以保障。

為了提高渡越時(shí)間檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了多級(jí)濾波放大電路,用于提高超聲波接收信號(hào)的信噪比和穩(wěn)定接收幅值;同時(shí),提出基于自適應(yīng)閾值的渡越時(shí)間檢測(cè)方法并將其用于流量檢測(cè),在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)。

1 測(cè)量原理

超聲波換能器是超聲波氣體流量計(jì)的重要組成部分。兩個(gè)收發(fā)一體的超聲波換能器安裝于表體內(nèi),在幾毫秒內(nèi)交替發(fā)送和接收超聲波信號(hào),通過檢測(cè)順流和逆流過程的超聲波渡越時(shí)間可以計(jì)算得到管道內(nèi)氣體的流速及流量[10]。超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量原理如圖1 所示。

圖1 超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量原理示意圖Fig.1 Measurement principle of ultrasonic gas flowmeter

在已知表體結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下,根據(jù)速度矢量合成原理,可以得到順流和逆流的超聲波渡越時(shí)間:

式中:td為順流渡越時(shí)間;tu為逆流渡越時(shí)間;L為聲道長(zhǎng)度;c為超聲波聲速;v為氣體流速;θ為聲道角。

如果測(cè)量得到td和tu,則管道中的氣體流速為:

2 接收信號(hào)處理

適用于超聲波氣體流量計(jì)的換能器的工作頻率在40～200 kHz 之間。該頻段內(nèi)聲學(xué)噪聲干擾較明顯。由于聲阻抗不匹配,超聲波在氣體介質(zhì)中傳播時(shí)吸收衰減和擴(kuò)散衰減嚴(yán)重,如果不采取相應(yīng)的措施,超聲波接收信號(hào)的幅值僅有幾毫伏,且極不穩(wěn)定。本研究選用的超聲波換能器工作頻率為200 kHz,采用多級(jí)濾波放大電路,實(shí)現(xiàn)超聲波接收信號(hào)增益調(diào)節(jié)及干擾濾除;在此基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)閾值實(shí)現(xiàn)了超聲波渡越時(shí)間的精確測(cè)量。

2.1 濾波及放大電路

第一級(jí)采用低通濾波電路。其電路增益為20 dB,截止頻率為295 kHz。低通濾波電路如圖2所示。

圖2 低通濾波電路Fig.2 Low-pass filter circuit

第二級(jí)采用二階帶通濾波放大電路,其通帶中心頻率為200 kHz,帶寬為30 kHz,增益為26 dB。帶通濾波電路如圖3 所示。

圖3 帶通濾波電路Fig.3 Band-pass filter circuit

第三級(jí)采用自動(dòng)增益控制電路,主要由壓控增益放大器(AD603) 配合數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter,DAC) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)處理器實(shí)現(xiàn)。AD603具有-10～+30 dB 的調(diào)節(jié)范圍,增益調(diào)節(jié)精度為±0.5 dB。FPGA 處理器通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)總線調(diào)整DAC 電壓輸出,與1.24 V 參考電壓的差值作為AD603 的增益控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大和衰減。自動(dòng)增益控制電路如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)增益控制電路Fig.4 Automatic gain control circuit

2.2 渡越時(shí)間檢測(cè)

閾值法原理如圖5 所示。

圖5 閾值法原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of threshold method

多級(jí)濾波放大電路初步實(shí)現(xiàn)了超聲波接收信號(hào)幅值的穩(wěn)定,但在流量較大或出現(xiàn)湍流的情況下,盡管超聲波接收信號(hào)的峰峰值被調(diào)整到固定范圍,其局部幅值仍會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,且采用固定閾值法會(huì)導(dǎo)致渡越時(shí)間測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)“跳周”現(xiàn)象,從而引起較大流速誤差。為了提高閾值法的抗干擾性能,采用自適應(yīng)閾值法進(jìn)行渡越時(shí)間檢測(cè),處理步驟如下。

①對(duì)經(jīng)過高速AD 采樣的離散超聲波信號(hào)進(jìn)行最大峰值(P7)搜索,記錄最大值和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。②搜索最大峰值之前的6 個(gè)局部峰值(P1～P6),記錄這6 個(gè)局部峰值的幅度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。③將這6 個(gè)局部峰值逐個(gè)與預(yù)設(shè)閾值K進(jìn)行比較(預(yù)設(shè)閾值在第3 個(gè)和第4 個(gè)局部峰值之間,且比P3幅值大100 mV)。當(dāng)某個(gè)局部峰值小于閾值并且其后一個(gè)局部峰值大于閾值時(shí),認(rèn)為找到了特征時(shí)間。最后搜索特征時(shí)間之前的第一次過零時(shí)間,將該過零時(shí)間減去固定延時(shí)即可得到超聲波渡越時(shí)間。

為了提高閾值法檢測(cè)抗干擾性能,局部峰值P3的有效性需嚴(yán)格判斷及取舍。如果P3幅值波動(dòng)大于50 mV,則認(rèn)定該接收波形不適合閾值測(cè)量,將其舍棄并重新開始下一次信號(hào)接收采集與判別。反之,如果P3幅度波動(dòng)不大于50 mV,則認(rèn)為滿足閾值測(cè)量要求。此時(shí),記錄P3的幅值大小,并將其與P3的前8 次歷史數(shù)值進(jìn)行滑動(dòng)平均處理。其平均結(jié)果加上100 mV 的數(shù)值作為新的閾值,進(jìn)行下一周期的超聲波渡越時(shí)間檢測(cè),從而完成閾值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與更新。自適應(yīng)閾值軟件流程如圖6 所示。

圖6 自適應(yīng)閾值軟件流程Fig.6 Flowchart of self-adaptive threshold sofware

整個(gè)渡越時(shí)間檢測(cè)算法在高速FPGA 中實(shí)現(xiàn)。通過同樣的方法,可計(jì)算得到順流和逆流兩個(gè)方向的超聲波渡越時(shí)間,并根據(jù)式(3)完成管道內(nèi)氣體流量的實(shí)時(shí)計(jì)算。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證自適應(yīng)閾值算法的準(zhǔn)確性,采取了實(shí)流標(biāo)定方式進(jìn)行檢驗(yàn)。本試驗(yàn)在重慶科技檢測(cè)中心的音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(不確定度為0.27%)上開展,以空氣作為被測(cè)介質(zhì),測(cè)試對(duì)象為自主研發(fā)的DN100 單聲道超聲波氣體流量計(jì)。該流量計(jì)由表體、兩個(gè)超聲波換能器和信號(hào)處理單元組成,聲道角為45°,表體上游直管段長(zhǎng)度大于10 倍管徑,下游直管段長(zhǎng)度大于5 倍管徑,環(huán)境溫度為24 ℃,大氣壓力為97.6 kPa。

首先,在零流量下校準(zhǔn)超聲波氣體流量計(jì)的零點(diǎn)。然后,啟動(dòng)音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,將音速噴嘴調(diào)整到給定的流量值,并在音速噴嘴流量和超聲波流量計(jì)流量示值穩(wěn)定時(shí),記錄兩個(gè)儀表在相同時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)流量。最后,重復(fù)此過程三次,將累積流量轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)流量,計(jì)算出各流量點(diǎn)的平均流量、相對(duì)誤差和重復(fù)性。流量標(biāo)定誤差分析如表1 所示。

表1 流量標(biāo)定誤差分析表Tab.1 Error analysis table of flow calibration

由表1 可以看出,采用自適應(yīng)閾值法的超聲波氣體流量計(jì)在10～651 m3/h 流量范圍內(nèi)具有良好的測(cè)量精度,其測(cè)量誤差小于1%,測(cè)量重復(fù)性小于0.2%,符合國家《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》JJG 1030—2007 中準(zhǔn)確度等級(jí)1.0 級(jí)的測(cè)量指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文分析討論了互相關(guān)算法和閾值法在超聲波氣體流量計(jì)中的特點(diǎn)。為了提高超聲波渡越時(shí)間測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性,針對(duì)超聲波信號(hào)的接收處理,設(shè)計(jì)了多級(jí)濾波放大電路和自動(dòng)增益控制電路,用于提高超聲波接收信號(hào)的信噪比;同時(shí),采用自適應(yīng)閾值法用于超聲波渡越時(shí)間的檢測(cè),通過關(guān)鍵局部峰值的歷史平均值遞推得到新的閾值,可以避免幅值抖動(dòng)引起渡越時(shí)間測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方案具有較高的測(cè)量精度和重復(fù)性。該研究方法可彌補(bǔ)互相關(guān)算法和常規(guī)閾值法用于超聲波流量測(cè)量的不足,對(duì)提高超聲波氣體流量計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性具有重要作用。