柏思忠

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

0 引言

超聲波氣體流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、測(cè)量范圍寬、無(wú)活動(dòng)部件、本體無(wú)壓損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域流量測(cè)量中，在煤炭行業(yè)，可用于測(cè)量瓦斯抽采管網(wǎng)中鉆孔、匯流管、支管、干管、總管等的氣體流量，能夠有效解決瓦斯抽采小流量無(wú)法測(cè)量、抽采管路中壓損過(guò)大和流量測(cè)量精度要求高等難題。

超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量方法主要包括傳播速度差法、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法等，其中傳播速度差法是常用的一種測(cè)量方法。傳播速度差法可分為時(shí)差法、相位差法及頻差法，其中時(shí)差法應(yīng)用尤為廣泛，該方法要求準(zhǔn)確測(cè)量超聲波在管道內(nèi)上下游傳播的渡越時(shí)間。常用的渡越時(shí)間測(cè)量方法有互相關(guān)法、閾值法等。互相關(guān)法通過(guò)檢測(cè)波形整體的相似度實(shí)現(xiàn)渡越時(shí)間測(cè)量，相比閾值法，可在一定程度上避免波形畸變和信噪比降低對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但是，互相關(guān)法通過(guò)檢測(cè)實(shí)時(shí)信號(hào)波形和參考波形的相似度來(lái)確定接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而實(shí)時(shí)信號(hào)波形變化和參考波形選擇都會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性。一方面，超聲波實(shí)時(shí)信號(hào)波形幅度和包絡(luò)受機(jī)械、電子和物理3 個(gè)方面因素影響[1]：機(jī)械因素包括安裝管道的內(nèi)徑尺寸、聲程距離、管壁粗糙度、布局方式[2]及安裝角度[3]；電子因素包括超聲波換能器結(jié)構(gòu)[4]、信號(hào)處理電路、采樣電路、計(jì)時(shí)電路等；物理因素包括流體性質(zhì)[5]、溫度[6]、壓力[7]、噪聲[8-9]等。另一方面，傳統(tǒng)參考波形選擇多以零速平均波形[10]、單一包絡(luò)靜態(tài)參考波形[11-12]、順流和逆流分開(kāi)的靜態(tài)參考波形[13]、主次包絡(luò)相結(jié)合的靜態(tài)參考波形[14]為主，參考波形確定后，不隨工況參數(shù)變化而改變，互相關(guān)檢測(cè)信號(hào)可能出現(xiàn)差錯(cuò)1 個(gè)周期的“跳波”現(xiàn)象：信號(hào)抖動(dòng)，引發(fā)“跳波”[15]；主峰幅度差異小，引起錯(cuò)周期[16]；最大值在相鄰峰值漂移，造成周期偏差[17]；接收信號(hào)最大峰值不固定，造成誤差大[18]；相關(guān)峰值振蕩誤差大[19]等。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種礦用超聲波氣體流量計(jì)參考波形自動(dòng)跟蹤方法。計(jì)算接收信號(hào)波形與當(dāng)前參考波形的互相關(guān)系數(shù)及超聲波渡越時(shí)間，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算互相關(guān)檢測(cè)的可信度，通過(guò)閾值判定接收信號(hào)是否有效，是否用當(dāng)前接收信號(hào)波形替換原參考波形。參考波形根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)跟蹤接收信號(hào)波形，完成信號(hào)量變過(guò)程中的動(dòng)態(tài)跟隨，防止接收信號(hào)波形因長(zhǎng)期微小變化而產(chǎn)生質(zhì)變，避免互相關(guān)檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)“跳波”現(xiàn)象，從而保證流量測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 超聲波參考波形自動(dòng)跟蹤方法

在超聲波換能器能量轉(zhuǎn)換和超聲波信號(hào)傳輸過(guò)程中，由于存在機(jī)械彈性，接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部會(huì)產(chǎn)生振幅衰減，從起振開(kāi)始到最后停止至少需要十多個(gè)周期，信號(hào)包絡(luò)呈現(xiàn)“紡錘體”形狀。提取每個(gè)振蕩周期的最大值和最小值，得到所有超聲波信號(hào)的極值，如圖1 所示。

圖1 超聲波信號(hào)極值Fig.1 Extremum of ultrasonic signal

超聲波參考波形自動(dòng)跟蹤步驟：

（1）計(jì)算參考波形的所有極值，構(gòu)建參考波形極值序列。計(jì)算參考波形的最大峰值PV和參考峰值時(shí)刻TV，以PV為中心向前后各提取m個(gè)極值點(diǎn)，用得到的2m+1 個(gè)點(diǎn)構(gòu)建參考波形極值序列XV。

（2）計(jì)算實(shí)時(shí)接收信號(hào)波形的所有極值，構(gòu)建實(shí)時(shí)接收信號(hào)波形極值序列。計(jì)算實(shí)時(shí)接收信號(hào)的最大峰值PS和 接收峰值時(shí)刻TS，以PS為中心向前后各提取n（n≥m）個(gè)極值點(diǎn)，用得到的2n+1 個(gè)點(diǎn)構(gòu)建接收信號(hào)波形極值序列XS。

（3）計(jì)算互相關(guān)系數(shù)和超聲波渡越時(shí)間。對(duì)參考波形極值序列XV和 接收信號(hào)波形極值序列XS進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算：

式中：τ為互相關(guān)系數(shù)；ΔN為對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)坐標(biāo)變化量，0～2（n-m）。

超聲波渡越時(shí)間為

式中：Δtmax為 互相關(guān)時(shí)間；ΔNmax為互相關(guān)點(diǎn)坐標(biāo)變化量最大值；fS為A/D 采樣頻率。

（4）計(jì)算互相關(guān)檢測(cè)的可信度，完成參考波形自動(dòng)跟蹤?？尚哦葹?/p>

式中 τmax為互相關(guān)系數(shù)最大值。

設(shè)可信度有效閾值為 ρth（可取0.6～0.8，本文取0.6），參考波形更新閾值為 ρtv（可取0.8～0.95，本文取0.8），根據(jù)以下規(guī)則設(shè)定參考波形：當(dāng) ρ＜ρth時(shí)，判定接收信號(hào)無(wú)效，重新發(fā)送超聲波信號(hào)；當(dāng)ρth≤ρ＜ρtv時(shí)，判定接收信號(hào)有效，用當(dāng)前接收信號(hào)波形替換原參考波形；當(dāng) ρ≥ρtv時(shí)，判定接收信號(hào)有效，繼續(xù)使用原參考波形。

2 超聲波接收信號(hào)形變分析

超聲波接收信號(hào)波形變化可歸納為包絡(luò)連續(xù)形變和包絡(luò)瞬間畸變2 種情況，這2 種情況均可能造成超聲波渡越時(shí)間差錯(cuò)1 個(gè)波形周期。

2.1 包絡(luò)連續(xù)形變

在超聲波信號(hào)傳輸過(guò)程中，受氣體流速、溫度、壓力等因素影響，超聲波接收信號(hào)包絡(luò)會(huì)發(fā)生連續(xù)形變。用超聲波氣體流量計(jì)在DN50（公稱(chēng)直徑為50 mm）管道上進(jìn)行試驗(yàn)，超聲波換能器中心頻率為200 kHz，A/D 采樣速率為50×106次/s，接收信號(hào)波形包含23 個(gè)極值點(diǎn)。為方便展示試驗(yàn)效果，將接收端自動(dòng)增益控制電路改為固定增益電路，分別改變管道內(nèi)氣體流速、溫度和壓力，分析其對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)的影響。

（1）流速對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)的影響。將超聲波氣體流量計(jì)連接到流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，改變管道內(nèi)氣體流速，得到接收信號(hào)包絡(luò)分布，如圖2 所示。氣體流速在0～27.6 m/s 變化時(shí)，隨著管道內(nèi)氣體流速增大，超聲波束偏移量增大，接收信號(hào)波形幅值減小，包絡(luò)形狀連續(xù)變化。

圖2 不同流速下超聲波接收信號(hào)包絡(luò)分布Fig.2 Envelope distribution of ultrasonic signals at different velocity

（2）溫度對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)的影響。將超聲波氣體流量計(jì)放置到高低溫試驗(yàn)箱中，改變箱體內(nèi)溫度，得到接收信號(hào)包絡(luò)分布，如圖3 所示。溫度在-20～60 ℃變化時(shí)，隨著溫度升高，接收信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)減少，包絡(luò)上升階段斜率增大，下降階段斜率減小，相鄰點(diǎn)間隔變大，包絡(luò)形狀連續(xù)變化。

圖3 不同溫度下超聲波接收信號(hào)包絡(luò)分布Fig.3 Envelope distribution of ultrasonic signals at different temperature

（3）壓力對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)的影響。將超聲波氣體流量計(jì)放置到密封箱中，通過(guò)加氣和抽氣改變箱體內(nèi)壓力，得到接收信號(hào)包絡(luò)分布，如圖4 所示。壓力在150～40 kPa 變化時(shí)，隨著壓力降低，接收信號(hào)波形幅值減小，相鄰點(diǎn)間隔不變，相鄰點(diǎn)幅值等比例變化，包絡(luò)分布相似，包絡(luò)形狀連續(xù)變化。

圖4 不同壓力下超聲波接收信號(hào)包絡(luò)分布Fig.4 Envelope distribution of ultrasonic signals at different pressure

試驗(yàn)時(shí)，采用參考波形自動(dòng)跟蹤方法，當(dāng)可信度下降到0.8 以下時(shí)，用實(shí)時(shí)接收信號(hào)波形不斷替換參考波形，保證可信度不低于0.6，從而控制整個(gè)波形的變化，有效避免互相關(guān)檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)“跳波”現(xiàn)象。

2.2 包絡(luò)瞬間畸變

超聲波信號(hào)傳輸過(guò)程中受噪聲影響，尖峰脈沖、隨機(jī)信號(hào)和周期干擾等可能導(dǎo)致超聲波接收信號(hào)包絡(luò)發(fā)生瞬間畸變。噪聲主要類(lèi)型：①電噪聲。主要指由環(huán)境及電路中電磁信號(hào)引起的干擾，這類(lèi)噪聲一般在元器件工作時(shí)才出現(xiàn)，是非隨機(jī)產(chǎn)生的，如外供電源中的高次諧波噪聲、電路板布線引出的高頻晶體振蕩器帶來(lái)的噪聲。② 工藝設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。主要包括調(diào)壓裝置、節(jié)流件、匯管等產(chǎn)生的噪聲，其中節(jié)流件產(chǎn)生的節(jié)流噪聲最常見(jiàn)。③因安裝不規(guī)范產(chǎn)生的噪聲。如因前后直管段配管不合理、探頭突出、管道內(nèi)有突出物等產(chǎn)生的噪聲。④ 工作環(huán)境噪聲。

包絡(luò)瞬間畸變可分為3 種情況：①主峰嚴(yán)重畸變。噪聲嚴(yán)重影響包絡(luò)中主峰及附近峰值，如圖5（a）所示。② 主峰微小畸變。噪聲輕微影響包絡(luò)中主峰及附近峰值，如圖5（b）所示。③非主峰畸變。噪聲導(dǎo)致包絡(luò)中非主峰發(fā)生畸變，如圖5（c）所示。若畸變?cè)斐煽尚哦鹊陀谟行ч撝?，則判定接收信號(hào)無(wú)效，直接舍棄該信號(hào)；若可信度不低于更新閾值，則可正常接收信號(hào)，畸變對(duì)信號(hào)傳輸無(wú)影響；若可信度低于0.8 且不低于0.6，則判定接收信號(hào)有效，但要用接收信號(hào)波形替換參考波形。對(duì)于上述3 種情況，采用參考波形自動(dòng)跟蹤方法均可有效避免噪聲對(duì)接收信號(hào)判定的影響。

圖5 噪聲影響下超聲波接收信號(hào)包絡(luò)Fig.5 Envelope of ultrasonic signals at different noise

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 流速影響試驗(yàn)

采用音速?lài)娮鞖怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)超聲波氣體流量計(jì)（公稱(chēng)直徑為200 mm）進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6 所示。該裝置的不確定度為0.3 級(jí)，測(cè)量范圍為0.5～4 000 m3/h；環(huán)境溫度為20 ℃，管道壓力為98.4 kPa，外接數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。

圖6 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.6 Flow calibration device

對(duì)超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行零流速標(biāo)定，將接收信號(hào)波形作為初始參考波形。在其余標(biāo)定條件或工況條件下，采用參考波形自動(dòng)跟蹤方法判斷是用當(dāng)前接收信號(hào)波形替換原參考波形，還是繼續(xù)使用原參考波形。完成流量計(jì)標(biāo)定后，在零流速、低流速、中流速和高流速等不同流速區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。可看出，流量測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%，滿足精度1.0 級(jí)測(cè)量要求，可信度隨著流量增大、流速加快而降低，在可信度低于更新閾值時(shí)替換過(guò)參考波形，但整個(gè)過(guò)程可信度始終大于有效閾值，結(jié)果有效。根據(jù)可信度大小判斷是否替換參考波形，通過(guò)不斷替換實(shí)現(xiàn)參考波形自動(dòng)跟蹤，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

表1 不同流速下流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of flowmeter at different velocity

3.2 噪聲影響試驗(yàn)

通過(guò)人為增加噪聲影響，在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測(cè)試超聲波氣體流量計(jì)性能。共設(shè)置7 種噪聲：①在DC24 V 流量計(jì)供電電源中加峰峰值為500 mV 的交流噪聲。②在進(jìn)氣端距離彎管300 mm 處安裝超聲波氣體流量計(jì)，使流量計(jì)前端直管段長(zhǎng)度小于7 倍管徑，導(dǎo)致流場(chǎng)不穩(wěn)定，引入噪聲。③在出氣端距離彎管300 mm 處安裝超聲波氣體流量計(jì)，使流量計(jì)后端直管段長(zhǎng)度小于3 倍管徑，導(dǎo)致流場(chǎng)不穩(wěn)定，引入噪聲。④在進(jìn)氣端距離旁路閥門(mén)300 mm 處安裝超聲波氣體流量計(jì)，通過(guò)管道旁路閥門(mén)開(kāi)關(guān)引入噪聲。⑤在進(jìn)氣端距離管道插件（威力巴節(jié)流件）300 mm處安裝超聲波氣體流量計(jì)，活動(dòng)管道插件引起流場(chǎng)變化，引入噪聲。⑥超聲波氣體流量計(jì)工作時(shí)，啟動(dòng)/停止管道旁5 m 內(nèi)的變頻器，引入環(huán)境噪聲。⑦超聲波氣體流量計(jì)工作時(shí)，使用對(duì)講機(jī)通話10 s 以上，引入電磁干擾噪聲。

不同噪聲影響下流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在無(wú)噪聲、有噪聲①和噪聲②的情況下，可信度一直保持在更新閾值以上，參考波形沒(méi)有替換過(guò)，流量測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%；在有噪聲③-噪聲⑥的情況下，可信度最小值小于更新閾值但大于有效閾值，參考波形均替換過(guò)，流量測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%；在有噪聲⑦的情況下，可信度最小值小于有效閾值，參考波形失效過(guò)，但通過(guò)失效過(guò)濾保證了流量測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%。

表2 不同噪聲影響下流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of flowmeter at different noise

3.3 溫度影響試驗(yàn)

將超聲波氣體流量計(jì)放置到高低溫試驗(yàn)箱中，在零流量條件下-20～60 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3?？煽闯?，隨著溫度升高，可信度最小值逐漸減小，溫度在30 ℃及以上時(shí)可信度最小值小于更新閾值，發(fā)生過(guò)參考波形替換，使可信度始終大于有效閾值，保證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

表3 不同溫度下流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of flowmeter at different temperature

3.4 壓力影響試驗(yàn)

將超聲波氣體流量計(jì)放置到密閉高低溫試驗(yàn)箱中，利用EV1508 空壓機(jī)改變?cè)囼?yàn)箱中空氣壓力，在零流量條件下40～150 kPa 壓力范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。可看出，壓力越大，可信度越高，在40～60 kPa 壓力范圍內(nèi)可信度最小值小于更新閾值，發(fā)生過(guò)參考波形替換，使可信度始終大于有效閾值，保證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

表4 不同壓力下流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of flowmeter at different pressure

4 結(jié)論

（1）提出了一種礦用超聲波氣體流量計(jì)參考波形自動(dòng)跟蹤方法，計(jì)算超聲波參考波形和實(shí)時(shí)接收信號(hào)波形的互相關(guān)系數(shù)及互相關(guān)檢測(cè)的可信度，設(shè)置可信度有效閾值為0.6，參考波形更新閾值為0.8，通過(guò)閾值判定接收信號(hào)是否有效，是否用當(dāng)前接收信號(hào)波形替換原參考波形。

（2）分析了氣體流速、溫度、壓力、噪聲對(duì)超聲波接收信號(hào)波形的影響：氣體流速、溫度、壓力變化都會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)包絡(luò)發(fā)生連續(xù)性變化；尖峰脈沖、隨機(jī)信號(hào)和周期干擾等可能導(dǎo)致超聲波接收信號(hào)包絡(luò)發(fā)生瞬間畸變。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同流速、溫度、壓力、噪聲影響下，超聲波氣體流量計(jì)的相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%，滿足精度1.0 級(jí)測(cè)量要求，參考波形自動(dòng)跟蹤方法為流量測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性提供了保障。