超聲波氣體流量計(jì)反饋回路的最優(yōu)算法研究

劉 佩，萬 勇

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

氣體超聲流量計(jì)是20 世紀(jì)90 年代被廣泛采用的高精度、高穩(wěn)定性的流量測量儀器，它是一種非常先進(jìn)的流量計(jì)，能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)且能避免壓差的影響，它的量程寬可以滿足各種流量需求且能夠抵抗各種環(huán)境因素的影響，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)和冶煉行業(yè)[1]。其準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和可靠的性能正迅速地被得到認(rèn)可并在相關(guān)企業(yè)推廣應(yīng)用。

超聲氣體流量計(jì)的聲通道布局包括單向輻射、雙向反饋、三向反饋或多向反饋，均能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，探頭之間的超聲波能被均勻傳播到各個流動部位，從而精確捕捉到流體的流動特性。氣體超聲波流量計(jì)通過傳播時(shí)間差法可以有效地檢測流體在管道中的流量，其原理是通過激活超聲波源產(chǎn)生超聲波，換能器把這些超聲波數(shù)據(jù)獲取并進(jìn)行處理形成反饋波，一般有直射通道和反射通道兩種結(jié)構(gòu)測量，通過對測量管段內(nèi)的超聲波換能器1 和換能器2 的交替發(fā)射和接收，可以比較它們沿不同流層的聲波路徑的傳播時(shí)間差，推斷出不同流層氣體的平均速度分布情況，如圖1 所示。將從超聲氣體流量計(jì)的自動控制及其相關(guān)研究入手，構(gòu)建背景概述，再詳細(xì)討論其相關(guān)算法。

圖1 直射與反射通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct channel and reflection channel structure

1 超聲氣體流量計(jì)自動控制相關(guān)研究

超聲波流量計(jì)具有流場無擾動、無運(yùn)動部件、無壓力損失、測量精度高、性能穩(wěn)定可靠、測量范圍寬等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于管道內(nèi)氣體和液體測量，但氣體流量的檢測精度較低，效果令人不太滿意。為了提高超聲波換能器的效率，國內(nèi)外科研學(xué)者們進(jìn)行了廣泛探索，以期達(dá)到滿足應(yīng)用的需求，應(yīng)運(yùn)而生了諸如階躍脈沖、方波、調(diào)制脈動、單雙極性、頻率幅值調(diào)制、“拖尾”、過零電平檢測法、動態(tài)閾值檢測法、包絡(luò)線自相干涉檢測法等多種檢測手段。盡管已經(jīng)嘗試了如減少其因介質(zhì)、溫度等因素產(chǎn)生的延遲來提高準(zhǔn)確性，但仍然存在一些挑戰(zhàn)。比如如何有效地抑制外界的噪音和電磁輻射，以及如何更好地控制接收端的檢測時(shí)間[2]。其主要挑戰(zhàn)就是準(zhǔn)確性，首先它必須能夠應(yīng)付氣體的高頻波動且能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到氣體的流動。其次它必須能夠應(yīng)付惡劣的工作條件且能夠抵御外界的干擾。

已知用編碼激勵信號激勵發(fā)射換能器時(shí)[3]，接收換能器接收到產(chǎn)生的超聲信號，輸出回波信號呈主軸形狀。隨著超聲換能器的阻尼作用，回波信號在較長時(shí)間內(nèi)會逐漸消失，為了正確地測量大多會選擇自動增益控制電路。四通道超聲流量計(jì)[4]的測量受多種通道的限制，包括傳感器尺寸、參數(shù)設(shè)置等都會導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)發(fā)生改變。為了保證準(zhǔn)確性必須采用自適應(yīng)技術(shù)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射和接收頻率來消除超聲波傳播速度的時(shí)延性以實(shí)現(xiàn)超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確測量。通過采用具備一致的發(fā)射波形、傳輸環(huán)境及多種傳輸方式的雙向交叉算法抵消電路的時(shí)間延遲，避免因接收端的信號質(zhì)量而導(dǎo)致準(zhǔn)確性受到限制；還可以通過排斥噪聲干擾、電磁輻射及與有用信號的不相關(guān)性來減少或消除對結(jié)果的影響；最后利用綜合運(yùn)用誤差分析技術(shù)、實(shí)際施工技術(shù)及現(xiàn)場安裝工藝降低接收端的錯誤率而提高測量可靠性，使它能夠被普遍地應(yīng)用于煤炭行業(yè)的瓦斯抽采、壓風(fēng)自救及注氮等系統(tǒng)中。

2 自動控制的最優(yōu)反饋回路算法

2.1 超聲波氣體流量測量原理

當(dāng)前超聲波流量計(jì)的信號檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到包括傳播速度差法、波束移位法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法和噪聲法等[5]，都能滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的氣體計(jì)量需求，隨著科研工作者的努力攻關(guān)，相差法、頻差法等都得到了良好應(yīng)用，其中傳播速度差法[6]由于具有測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性強(qiáng)、對外界條件變化的干擾抵抗能力高而被廣泛使用?；谥鄙渫ǖ篮头瓷渫ǖ澜Y(jié)構(gòu)測量的基本討論結(jié)果，本反饋回路算法擬采用時(shí)間差法來測量管道內(nèi)氣體瞬時(shí)流量，利用超聲波在正向流動和反向流動情況下的運(yùn)動時(shí)間差來測量氣體流量，測量原理如圖2 所示。

圖2 超聲波氣體流量測量原理Fig.2 Ultrasonic gas flow measurement principle

根據(jù)圖2 所示，將2 個換能器間的線性距離設(shè)為L，可計(jì)算出順流方向傳播時(shí)間t12和逆流方向的傳播時(shí)間t21，得到式（1）和式（2）：

式中：X 表示換能器間的徑向距離；c 表示聲音在氣體中的傳播速率；V 表示氣體在管道內(nèi)的流動速率；L 表示聲音傳播的路徑長度。

進(jìn)一步計(jì)算出順流方向傳輸時(shí)間t12小于等于逆流方向的傳輸時(shí)間t21，還可以求解出氣體聲音傳播速率c 和空氣的流動速率V，得到式（3）、式（4）和式（5）：

當(dāng)氣體在管道內(nèi)流動時(shí)的傳輸時(shí)間的差異非常小，每個方向上的傳輸時(shí)間是毫秒級。因此準(zhǔn)確測量渡越時(shí)間是非常重要的。

2.2 超聲波氣體流量測量的實(shí)現(xiàn)

超聲波作為一種機(jī)械波其傳播特性不太理想，在傳播過程中容易產(chǎn)生信號畸變，為了提高測量信號的信噪比則需對其進(jìn)行濾波，通過對切比雪夫?yàn)V波器[7]和橢圓濾波器[8]等相比較，巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)具有最大的平坦幅頻特性[9]，且在時(shí)域內(nèi)響應(yīng)速度較快，通過去除高頻和低頻噪聲使超聲信號保持在合適的頻率范圍內(nèi)，其二階帶通濾波器G（s）的傳遞函數(shù)定義為

式中：ζ 為濾波器阻抗系數(shù)；w0為帶通濾波器的中心角頻率。進(jìn)一步推算出中心角頻率：

式中：wh為帶通濾波器的上截止角頻率；w1為帶通濾波器的下截止角頻率。

通過引入基于峰間最大差分的濾波技術(shù)，有效抑制濾波器帶來的相位延遲更準(zhǔn)確地捕捉到回波信號特性，還能不用預(yù)先定義閾值，只要檢查到峰間的最大差異就能快速地找到所要的特性。通過采用雙重激勵的方式可以觀察兩種激勵下的回波信號隨著時(shí)間推移而發(fā)生的變化，把兩種激勵的回波信號相加而獲取疊加波形來構(gòu)建出新的模擬方法。

集成電路的構(gòu)造包括增益控制芯片VCA810、峰值采樣、A/D 變換、單片機(jī)控制和壓力調(diào)節(jié)?？刂菩酒亲詣釉鲆婵刂葡到y(tǒng)的關(guān)鍵，其性能決定了整個自動增益控制電路系統(tǒng)的成功與否。為了在回波信號中找到穩(wěn)定的特征點(diǎn)則需要準(zhǔn)確地在信號中找到固定的周期間隔，如果信號的波動不會超出兩個核心負(fù)斜率零點(diǎn)，就可以在縱坐標(biāo)方向上確定一個合適的閾值范圍。通過精確的門限選擇，在每一個采樣周期內(nèi)精確地定位信號中的正弦周期間隔獲得更加精確的結(jié)果。利用閾值過零檢測方法準(zhǔn)確找到特征波后計(jì)算出所需的過零點(diǎn)，采集6 個過零點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地算出信號的傳輸距離，有效抑制隨機(jī)誤差提升測量準(zhǔn)確性。這6 個過零點(diǎn)所代表的時(shí)間數(shù)據(jù)依次作為一個總體參考，其順序排列如下：

當(dāng)發(fā)現(xiàn)n 點(diǎn)的幅度與n+1 點(diǎn)的幅度的極性相反時(shí)使用線性插值來計(jì)算信號的過零點(diǎn)時(shí)間，假設(shè)信號的采樣周期Tc是一個固定的，則定義線性插值計(jì)算過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間為Ti，得出公式（9），就可以得到疊加波形的變化規(guī)律：

在設(shè)計(jì)中一個回波信號周期T 由100 個采樣點(diǎn)組成，每個采樣點(diǎn)都會被移位以獲取更多信息。當(dāng)2 個采樣點(diǎn)被移動時(shí)則會產(chǎn)生一個周期性的疊加波形，這個疊加波形的周期與回波信號的周期一致，即100 個采樣點(diǎn)的變化。根據(jù)疊加波形的變化規(guī)律趨勢，如圖3 所示，間歇激勵法的成功關(guān)鍵在于找到2 次激勵之間的最佳間隔才能夠有效地捕捉到相鄰峰值之間的較大差異。

圖3 兩種不同間隔激勵回波信號數(shù)值和的波形Fig.3 Waveform of numerical summation of echo signals of two separate excitations at different intervals

2.3 自動控制的最優(yōu)反饋回路算法

通過采用多個控制回路的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動的有效監(jiān)測。這些控制回路的計(jì)算首先是確定第n 個控制循環(huán)的位置值Lp（n），如公式10 所示。然后根據(jù)公式進(jìn)行處理，式中使用的累加和積分符號是為了方便描述算法，其含義并不嚴(yán)格符合微積分或累加符號的數(shù)學(xué)定義，其中Fp（n）是第n 個控制周期的速度參考，通過對速度積分得到位移實(shí)現(xiàn)對位移參數(shù)的控制。

由于每個周期很短且位移較小，不可能一次完成系統(tǒng)給定的位移，因此須根據(jù)如運(yùn)動速度和加減速時(shí)間作為閉環(huán)控制的輸入給定值等參數(shù)計(jì)算。每個周期根據(jù)電流偏差值來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以完成一定的位移量并消除偏差，就實(shí)現(xiàn)了自動控制的最優(yōu)反饋算法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

超聲波氣體測量主要由MAX35104 芯片實(shí)現(xiàn)，芯片通過SPI 發(fā)送各種命令使芯片中的定時(shí)模式來測量氣體流量。試驗(yàn)使用示波器對超聲波收發(fā)模塊性能進(jìn)行了測試，仿真波形如圖4 所示，上面的黃色信號是高速比較器的輸出信號，下面的藍(lán)色信號是超聲波接收信號經(jīng)過放大濾波后的信號，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明超聲波氣體流量計(jì)是采用了傳播時(shí)間差測量原理設(shè)計(jì)的，可以根據(jù)不同氣體特性調(diào)整校準(zhǔn)程序，從而極大地提升了氣體流量測量的精確度。

圖4 高速比較信號波形仿真Fig.4 High-speed comparison of signal waveform simulation

將渦輪和超聲波流量計(jì)同時(shí)安裝在DN100 的測試管道中，超聲波換能器工作頻率選擇為400 kHz，根據(jù)采樣頻率不小于信號頻率的2 倍，選擇10 倍于流動信號頻率的采樣頻率為2 kHz，采用單音測量法進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得出流體流速分布的不對稱性所引起的流速測量精度可達(dá)±1%，同時(shí)可以看出流量較小的時(shí)候測量的誤差較大是因?yàn)樵诹髁枯^小的時(shí)候渡越時(shí)間差的測量相對誤差增大。實(shí)驗(yàn)室仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室仿真數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Results of simulation experiment

4 結(jié)語

通過引入先進(jìn)的自動控制及相關(guān)優(yōu)化技術(shù)，成功地解決了氣體超聲流量計(jì)的信號檢測問題，使單通道氣體超聲流量計(jì)可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行且設(shè)計(jì)出新型超聲波氣體流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，采用閉環(huán)反饋控制并通過仿真驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確地比較信號波形的性能。通過將本算法應(yīng)用于氣體超聲波氣體流量計(jì)能夠有效克服傳統(tǒng)流量計(jì)的缺陷，提高超聲波流量計(jì)的測量精度，減輕人工實(shí)測進(jìn)行比對的勞動強(qiáng)度，為相關(guān)企業(yè)在氣體檢測計(jì)量工作提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，并取得了良好的效果，受到了使用者及各級領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可，對氣體超聲波流量計(jì)的普及具有重要意義和積極作用。