基于溫度自適應(yīng)的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量方法研究

李 勇

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

國(guó)內(nèi)多數(shù)煤礦瓦斯抽采計(jì)量主要靠差壓式流量計(jì)完成，基于流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢(shì)，但測(cè)量精度低、范圍小、壓損大、易堵塞等缺點(diǎn)導(dǎo)致用戶(hù)體驗(yàn)差。超聲波流量計(jì)具有非接觸、精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)勢(shì)幾乎涵蓋了石化、供水、航空、天然氣、煤層氣等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。由于超聲波在氣體傳播介質(zhì)中存在傳播衰減大，聲學(xué)噪聲干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，液體超聲波流量計(jì)信號(hào)處理及渡越時(shí)間計(jì)算方法不適用于氣體超聲波流量計(jì)，因此氣體超聲波測(cè)量技術(shù)成為了科研領(lǐng)域一時(shí)難以攻破的技術(shù)難題。本文根據(jù)近年來(lái)研發(fā)V型錐、威力巴等差壓式流量計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及廣泛調(diào)研煤礦現(xiàn)場(chǎng)鉆場(chǎng)單孔、支管、干管及主管內(nèi)氣體流量特點(diǎn)后，提出一種基于溫度自適應(yīng)的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量方法研究。

超聲波氣體流量計(jì)[1-2]的研究起源可追溯到20世紀(jì)70年代。國(guó)外致力于超聲波氣體流量計(jì)研發(fā)的美國(guó) Danniel、德國(guó) Elster、荷蘭 Instrormet等公司研發(fā)的超聲波氣體流量計(jì)在精確度和穩(wěn)定性方面達(dá)到了較高水準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)的研發(fā)起步較晚，20世紀(jì)90年代由上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室、唐山儀表廠(chǎng)等單位開(kāi)始研制氣體超聲波流量計(jì)，并逐步開(kāi)始應(yīng)用到煤氣、天然氣計(jì)量中，但測(cè)量精度、穩(wěn)定性都存在一定差距。近年來(lái)包括清華、浙江、天津、重慶大學(xué)等高?；蚱髽I(yè)加入到研發(fā)隊(duì)伍中，主要從三個(gè)方面展開(kāi)：

超聲波換能器模型分析文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模型的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量的新方法，通過(guò)超聲波接收探頭獲取聲波信號(hào)，然后建立超聲波接收信號(hào)從起振到穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，最后通過(guò)模型參數(shù)擬合得到渡越時(shí)間參數(shù)最優(yōu)值。

噪聲抑制方法氣體傳輸過(guò)程中噪聲干擾會(huì)使換能器接收到的信號(hào)發(fā)生畸變，受噪聲污染信號(hào)增加了渡越時(shí)間測(cè)量難度，導(dǎo)致測(cè)量精度降低。采取有效的噪聲抑制方法是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重點(diǎn)，一直以來(lái)的濾波方法主要是利用帶通濾波器去除信號(hào)中的噪聲，但只能去除換能器工作頻率外的噪聲，頻率內(nèi)的噪聲信號(hào)無(wú)法有效處理。文獻(xiàn)[4]利用Laguerre濾波器對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，Laguerre濾波結(jié)合了FIR濾波和IIR濾波的特點(diǎn)，是一種非常適用于實(shí)現(xiàn)遞歸最小二乘的自適應(yīng)濾波算法。文獻(xiàn)[5]研究了自適應(yīng)濾波的自相關(guān)模型和噪聲對(duì)消模型在超聲波流量計(jì)信號(hào)去噪中的應(yīng)用，并利用仿真實(shí)驗(yàn)證明了自適應(yīng)濾波的這兩種擴(kuò)展模型在寬帶噪聲和窄帶噪聲情況下有良好的濾波效果。

渡越時(shí)間測(cè)量方法目前常用測(cè)量方法有閾值法和互相關(guān)法。閾值法是通過(guò)預(yù)選設(shè)定一個(gè)閾值電壓，當(dāng)接收信號(hào)的幅值達(dá)到閾值電壓時(shí)將該時(shí)刻作為超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種超聲波接收信號(hào)自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，使接收信號(hào)的幅值保持穩(wěn)定，從而有利于超聲波信號(hào)的后續(xù)處理，能較好地控制接收信號(hào)幅值，但受噪聲干擾較大，信號(hào)出現(xiàn)畸變的情況下測(cè)量結(jié)果易出現(xiàn)較大偏差。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于可變閾值過(guò)零檢測(cè)渡越時(shí)間的方法可較準(zhǔn)確地找到接收信號(hào)的特征波，但一致性較差，適用范圍較小。文獻(xiàn)[8]提出了一種雙閾值檢測(cè)方法，與單閾值相比可提高渡越時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于數(shù)字極性相關(guān)算法的超聲波信號(hào)識(shí)別技術(shù)，先將超聲波接收信號(hào)進(jìn)行極性化處理后通過(guò)計(jì)算極性相關(guān)函數(shù)的最大值確定兩個(gè)超聲波接收信號(hào)間的時(shí)延，但該方法沒(méi)有指明參考波形如何選取。文獻(xiàn)[10]利用回波法獲得準(zhǔn)確的參考波形，結(jié)合互相關(guān)理論計(jì)算渡越時(shí)間克服了參考波形不易選取的障礙，但換能器相距較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重跳周誤差，只適用于小口徑超聲波流量計(jì)。文獻(xiàn)[11]提出選用靜態(tài)平均波形作為參考波形，利用互相關(guān)算法獲得準(zhǔn)確的超聲波渡越時(shí)間，但沒(méi)有考慮溫度等因數(shù)對(duì)換能器的影響，當(dāng)溫度變化較大時(shí)靜態(tài)平均波形不能很好跟蹤溫度變化后的接收波形。不同溫度下超聲波換能器的最佳工作頻率會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致接收波形發(fā)生變化，從而引起超聲波接收波形的過(guò)零檢測(cè)位置發(fā)生變化影響計(jì)量精度，針對(duì)這一現(xiàn)象文獻(xiàn)[12]從溫度和壓力出發(fā)，通過(guò)RLS自適應(yīng)濾波對(duì)超聲壓電換能器傳輸特性進(jìn)行校正；文獻(xiàn)[13-14]嘗試最小均方誤差LMS自適應(yīng)濾波算法對(duì)超聲壓電換能器的傳輸特性進(jìn)行補(bǔ)償。這些方法在運(yùn)算量和可操作性上都有較大難度，如何準(zhǔn)確獲取超聲波渡越時(shí)間是許多高校及科研院所爭(zhēng)相探討的技術(shù)難題。

1 研究?jī)?nèi)容及研究方案

1.1 研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的跟蹤算法用于抵消溫度對(duì)接收波形的影響，完成單通道氣體超聲波流量計(jì)原理樣機(jī)一套；為后續(xù)超聲波流量計(jì)廣泛應(yīng)用于液體流量測(cè)量提供技術(shù)支撐。

（1）換能器模型分析

在目前自主研發(fā)的超聲波氣體流量計(jì)樣機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)上，基于壓電-電壓等效模型分析超聲波換能器的機(jī)理模型，結(jié)合發(fā)射波形和接收波形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算等效參數(shù)，建立超聲波換能器發(fā)射端和接收端的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。

（2）濾波算法設(shè)計(jì)

①常規(guī)濾波算法效果評(píng)價(jià)：在換能器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上加入噪聲干擾信號(hào)，分析及評(píng)價(jià)采用常規(guī)濾波方法（滑動(dòng)平均濾波，F(xiàn)IR濾波，IIR濾波）的濾波效果；

②設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波算法：基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)可調(diào)節(jié)的自適應(yīng)濾波算法，通過(guò)仿真施加噪聲干擾分析其與常規(guī)濾波算法的性能差異。

（3）自適應(yīng)跟蹤算法研究

①基于閾值法或互相關(guān)理論設(shè)計(jì)超聲波渡越時(shí)間捕獲算法，在溫箱環(huán)境中通過(guò)設(shè)定不同溫度值進(jìn)行超聲波收發(fā)時(shí)間測(cè)量；

②分析溫度對(duì)接收波形時(shí)域特征參數(shù)的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)可隨環(huán)境溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)算法參數(shù)的自適應(yīng)跟蹤算法；

③在溫箱環(huán)境進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，優(yōu)化改進(jìn)算法，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 研究方案

（1）項(xiàng)目技術(shù)方案與路線(xiàn)

采用技術(shù)調(diào)研、關(guān)鍵技術(shù)研究、樣機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)路線(xiàn)綜合開(kāi)展研究工作，實(shí)現(xiàn)超聲波換能器模型參數(shù)辨識(shí)、自適應(yīng)濾波算法研究、渡越時(shí)間自動(dòng)跟蹤算法研究等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合超聲波驅(qū)動(dòng)電路、接收電路、采集控制電路等硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)單聲道氣體超聲波流量計(jì)整機(jī)一套。通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試整機(jī)功能性能指標(biāo)，驗(yàn)證算法的適用性。具體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)示意Fig.1 Sketch of technical route

（2）關(guān)鍵技術(shù)研究

首先對(duì)超聲波換能器進(jìn)行機(jī)理研究得到壓電-電壓等效數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成模型參數(shù)辨識(shí)；其次針對(duì)換能器等效模型完成自適應(yīng)濾波算法設(shè)計(jì)，并與常規(guī)濾波方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；最后基于閾值法及互相關(guān)理論完成渡越時(shí)間自動(dòng)跟蹤算法設(shè)計(jì)。

（3）流量計(jì)樣機(jī)設(shè)計(jì)

開(kāi)展換能器模型分析、自適應(yīng)濾波算法研究、渡越時(shí)間自動(dòng)跟蹤算法研究等關(guān)鍵技術(shù)需要原理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，完成超聲波探頭布局設(shè)計(jì)、超聲波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、超聲波接收放大電路設(shè)計(jì)、自動(dòng)增益控制電路設(shè)計(jì)、AD轉(zhuǎn)換、溫度采集電路設(shè)計(jì)及人際交互界面設(shè)計(jì)。氣體超聲波流量計(jì)樣機(jī)原理示意圖如圖2所示。

圖2 樣機(jī)原理示意Fig.2 Schematic diagram of prototype

（4）算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

在溫箱試驗(yàn)環(huán)境中，通過(guò)設(shè)定不同溫度進(jìn)行渡越時(shí)間測(cè)量，建立溫度與接收波形特征參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)，迭代及實(shí)時(shí)更新渡越時(shí)間跟蹤閾值，實(shí)現(xiàn)基于溫度自適應(yīng)的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量算法研究。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在不同的溫度條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)流量測(cè)試，自測(cè)超聲波氣體流量計(jì)原理樣機(jī)的功能指標(biāo)；采用在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)上的新型獨(dú)立學(xué)科CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件建立不同的溫度場(chǎng)，分析其對(duì)超聲波傳播速度的影響規(guī)律。基本思想歸納為用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替原本在時(shí)間上及空間上連續(xù)的物理量的場(chǎng)（如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)），通過(guò)創(chuàng)建這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組來(lái)獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD技術(shù)具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，從而可以高效地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題。當(dāng)確定了所要求解的物理問(wèn)題，制定詳細(xì)的求解方案后進(jìn)行CFD建模和求解。

按照Fluent軟件的操作步驟，對(duì)幾種流量計(jì)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，先建立計(jì)算幾何模型和對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。管道直徑設(shè)置為200 mm，長(zhǎng)度為1000 mm，保證流量計(jì)前后直管段要求。將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中，選擇求解器和運(yùn)行環(huán)境，確定計(jì)算模型和材料特性并設(shè)定邊界條件，調(diào)整有關(guān)的控制求解的參數(shù)，初始化流場(chǎng)，設(shè)定求解精度，開(kāi)始求解及顯示求解結(jié)果。設(shè)置溫度場(chǎng)變化范圍為0℃～100℃，將同一個(gè)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出的超聲波穿過(guò)不同溫度場(chǎng)時(shí)，得到的聲速數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響Tab.1 Effect of temperature on the speed of ultrasound propagation

從表格中數(shù)據(jù)可以看出隨著介質(zhì)溫度的升高超聲波傳播速度越快，這是由于溫度升高氣體分子活性增強(qiáng)，分子間碰撞更頻繁，超聲波傳播速度加快，但速度增加并不線(xiàn)性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和補(bǔ)償。擬合和補(bǔ)償?shù)姆椒ú捎脜^(qū)間線(xiàn)性修正的方式，在已知具有具體數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)采用對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正，例如在0～10℃之間，聲速范圍為333～339 m/s，則在此溫度區(qū)間內(nèi)的聲速修正系數(shù)應(yīng)為（339-333）/（10-0）=0.6 m/s.℃，那么在8℃時(shí)超聲波的傳播速度值應(yīng)為333+（8-0）×0.6=337.8 m/s；而在沒(méi)有具體數(shù)據(jù)的區(qū)間（如0℃以下，100℃以上）的修正方式可以采用鄰近區(qū)間修正系數(shù)進(jìn)行修正，例如-8℃時(shí)的超聲波傳播速度，其修正系數(shù)選用0～10℃區(qū)間內(nèi)的修正系數(shù)0.6 m/s.℃，則-8℃時(shí)的超聲波傳播速度為：333+（-8-0）×0.6=328.2 m/s。

在氣體介質(zhì)測(cè)量中，超聲波信號(hào)的脈沖波形很難保持穩(wěn)定，由于氣體在不同溫度下密度變化很大，因此導(dǎo)致在傳播的不同時(shí)刻由于溫度的波動(dòng)導(dǎo)致實(shí)際發(fā)射和接收的聲能發(fā)生很大變化，最終因?yàn)榉档牟▌?dòng)因素導(dǎo)致信號(hào)失真。要解決溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，采用的方法：①在信號(hào)處理電路中增加自動(dòng)增益控制來(lái)避免接收到的超聲信號(hào)產(chǎn)生較大的幅值波動(dòng)；②在超聲波接收電路中設(shè)計(jì)選頻調(diào)諧放大電路，電路諧振在超聲波頻率上，放大接收到的超聲波信號(hào)，濾除其它頻率的干擾信號(hào)；③采用窗口檢測(cè)方法限制信號(hào)的接收范圍，在一定的程度上消除噪聲的干擾；④采用脈寬檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)接收信號(hào)頻率已知，且其寬度比干擾脈沖寬得多的特點(diǎn)來(lái)分辨出接收信號(hào)，以消除通常的幅度鑒別方法可能造成的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明通過(guò)4種方法解決基于溫度自適應(yīng)的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量方法是切實(shí)可行的。

3 結(jié)語(yǔ)

氣體超聲波流量計(jì)作為氣體流量計(jì)中的一顆新星，目前包括美國(guó)、英國(guó)在內(nèi)的12個(gè)國(guó)家政府已經(jīng)批準(zhǔn)將超聲波氣體流量計(jì)作為貿(mào)易結(jié)算的法定計(jì)量器具，近年來(lái)我國(guó)也開(kāi)始大力推進(jìn)氣體超聲波流量計(jì)的發(fā)展，并于2001年制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 18604-2001用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》、2007年制定了檢定規(guī)程《JJG1030-2007超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》、2014年發(fā)布了修改后的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，因此具有巨大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，已成為流量計(jì)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和應(yīng)用熱點(diǎn)。本項(xiàng)目為提高超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度提出應(yīng)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)超聲波流量計(jì)在不同安裝條件下的誤差情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，引入FLUENT CFD軟件對(duì)進(jìn)行仿真分析，并利用計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)對(duì)在特定流場(chǎng)下如何調(diào)整流量計(jì)安裝角度提高流場(chǎng)適應(yīng)能力進(jìn)行了分析，對(duì)不同聲道布置在流場(chǎng)分布下的誤差進(jìn)行了計(jì)算，提出了溫度、流場(chǎng)分布對(duì)超聲波流量計(jì)檢測(cè)精度影響的補(bǔ)償方法，其研究的主要意義在于解決氣體超聲波流量計(jì)渡越時(shí)間測(cè)量精度不高的關(guān)鍵技術(shù)，打破國(guó)外少數(shù)廠(chǎng)家的技術(shù)壟斷，符合“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃中提出的“低濃度煤層氣利用技術(shù)”、“開(kāi)發(fā)低濃度煤層氣發(fā)電提效技術(shù)與裝備”要求，通過(guò)開(kāi)展超聲波氣體流量計(jì)在信號(hào)處理算法及渡越時(shí)間計(jì)算方法的關(guān)鍵技術(shù)研究，填補(bǔ)在氣體超聲波流量計(jì)方面的技術(shù)裝備空白具有重要意義，同時(shí)可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值800～1000萬(wàn)元。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)介質(zhì)溫度梯度分布變化和不均勻分布?xì)怏w流場(chǎng)對(duì)超聲波流量計(jì)檢測(cè)精度的影響研究，得出了針對(duì)溫度和流場(chǎng)變化引起的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ê蛿?shù)據(jù)，為提高氣體超聲波流量計(jì)檢測(cè)精度和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性提供了技術(shù)基礎(chǔ)。