小管徑高精度超聲波流量計設計

丁鳳林，李宗良， 魏延明，宗光華

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京航空航天大學機器人研究所，北京100191)

小管徑高精度超聲波流量計設計

丁鳳林1，李宗良1， 魏延明1，宗光華2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京航空航天大學機器人研究所，北京100191)

航天器推進劑在軌剩余量測量一直是航天器在軌管理所面臨的一個難題.提出采用超聲波流量計測量推進劑在軌剩余量的方法，并給出了超聲波流量計的設計方案.設計的新型超聲波流量計結構，通過改變超聲換能器的安裝方式，從而延長了超聲波傳播路徑，減少了傳播過程中超聲波的衰減.通過以單片機和FPGA為主控制器、以高精度時間測量芯片作為數據采集模塊的流量計軟硬件系統實現了超聲波流量計對液體流量的高精度測量.通過恒速測試、交變流速測試和總量測試表明，該系統測量精度達到了0.5%，可滿足目前航天器推進系統推進劑剩余量的在軌測量要求.

超聲波流量計；流量測量；時間差法

對在軌衛星的液體推進劑剩余量進行準確可靠的監測，是對衛星壽命進行預估的重要因素，也是航天技術發展的必然要求，更是確保衛星有效使用和航天任務全面完成的重要條件.目前普遍使用的推進劑在軌剩余量測量技術為氣體狀態方程法(PVT法)和記帳法(BK法)，這兩種方法的測量設備簡單，對衛星推進系統硬件沒有特殊要求［1］.由于貯箱形變、氣體壓縮因子和氣體在液體中的溶解度、星上貯箱溫度和壓力采樣不精確等因素的影響，PVT法的測量誤差大于2%；BK法在實際應用時，需要引用推進系統的地面實驗數據并有賴于星上推力器性能穩定，再加上空間環境、推力器性能變化等諸多因素的影響，BK法誤差大于4%［2］.

超聲波流量計是利用液體流動對超聲波脈沖或者超聲波束的信號調制作用并通過檢測信號的變化來獲得體積流量的一種計量儀表，具有結構簡單，響應速度快，測量范圍大，穩定性好，精度高等特點［3］.超聲波流量計按測量原理分類有時差法、多普勒效應法、相關法、噪聲法和波束偏移法等.其中，時差法應用最為普遍.

超聲波流量計所具有的高精度、受環境因素影響小等優點為航天器在軌推進劑消耗計量帶來了新的思路，具有重要的實際意義.針對目前中國衛星推進系統的現狀，本文設計了適用于在軌推進劑測量的超聲波流量計，并在地面完成了精度測量實驗.從實驗結果來看，超聲波流量計達到了預定的測量精度，為其在衛星上的應用提供了前提條件.

1 超聲波流量計的小管徑化設計

傳統“Z”型流量計如圖1所示.在充滿液體的管路壁外側有2個成φ夾角的收發一體式超聲換能器，通過測量超聲換能器A發射B接收時超聲波的傳播時間tA-B和測量超聲換能器B發射A接收時超聲波的傳播時間tB-A，可計算出超聲傳播時間差 Δt，從而根據流體流量公式換算成流體的流量.

圖1 超聲波流量計原理圖

對于小管徑流體流量測量，若使用“Z”型流量計結構則存在明顯不足：

1)圖1中，若小管徑直徑D小于10mm，因超聲波傳播路徑L為D cosφ，故超聲波傳播時間差 Δt就非常小，為ns級以下.以測量精度為1%測算，則流量計系統的時間分辨率必須為幾百ps，這樣對超聲波流量計測量系統的設計要求就非常高，不易實現.

2)超聲波在液體和管壁界面傳播時，夾角φ對其折射波強度衰減影響很大［4-6］.在液體流速過大時，超聲波信號存在波束偏移現象，相應接收換能器所接收的超聲信號衰減明顯，不利于高精度測量［5］.

針對以上兩點不足，本文以小管徑高精度測量為目標，設計新型的管路結構并優化計算方法.如圖2所示，新型流量計管路由4部分組成：左右彎管、中直管、連接頭和超聲換能器.其中：彎管和直管成135°安裝，超聲換能器安裝在連接頭的外側，將其命名為“π”型超聲波流量計.

圖2 “π”型流量計配置示意圖

該結構的優點是能有效避免流量計接入測試管路時對被測液體流動狀態的影響；將兩個超聲換能器放置在管路的兩端，延長了超聲波的傳播路徑，有利于測量超聲傳播時間差，同時由于夾角φ為零，避免了超聲波在傳播過程中的折射衰減和波束偏移的問題.

2 流量測量數學模型分析

如圖2所示，設流體流向為A→B，則超聲波順流傳播的傳播時間為

超聲波逆流傳播的傳播時間為

其中：

L為兩個超聲換能器端面之間的直線距離；

c0為超聲波在靜止液體中的傳播速度；

v為超聲波在被測流體傳播方向上的平均線速度；

td為超聲波在管壁和換能器的傳播時間以及電路延時時間的總和.

為了消除td對計算流量帶來的不確定性影響，使用公式

這是超聲波傳播路徑上的平均線速度，而流量計算時需采用管路截面的平均流速，必須進行流體動力學修正［6-7］.

流量q為

式中，ρ為流體密度.定義k為速度轉換參數，其值通過流量計管路內的速度分布剖面導出.

根據流體力學理論［3，8］，當圓形管路內流體的雷諾數Re＜2000時，流體的流動狀態為層流，其速度分布是旋轉拋物線型；當流體的雷諾數Re＞2000時，流動是湍流的.湍流流動可以分為3區：緊靠壁面的層流附面層、管路中心的湍流充分發展區及由層流到湍流充分發展的過渡區.

圖3 圓形直管中層流和湍流的流速分布示意圖

理想層流流動狀態下，根據“π”型流量計超聲換能器的布局，可獲得流速修正系數k為1/2.

理想湍流流動狀態下，當雷諾數 Re小于1×105，修正系數公式為

當雷諾數超過105時，修正系數公式為

當然，以上k值只是理論演算結果，實際測試中還需對流量計進行標定處理.

從式(5)可以看出，流量 q只包含 Δt一個變量.如何準確測出 Δt，這是設計超聲波流量計控制系統的主要問題.

3 流量計控制系統設計

3.1 硬件系統設計

超聲波流量計硬件系統如圖4所示，由PC機、MCU主控模塊、FPGA模塊、時間測量模塊、發送/接收切換模塊、發送處理模塊和接收處理模塊組成.

MCU模塊由ATmega64及其片內的多功能模塊組成，其主要功能為與PC機通信、對時間測量模塊SPI的數據傳輸和負責下位機整體協調控制等；FPGA主要完成產生超聲波激勵脈沖和對經接收處理模塊接收的超聲波信號進行后續處理.

時間測量模塊對于整個測量系統至關重要，這是高精度測量超聲波傳播時間的基準.本設計采用高精度、低功耗芯片，通過 SPI與 MCU進行數據通信，完成芯片的模式配置、計時時序控制、時間數據傳輸等功能，其測時分辨率最高達65ps.

圖4 超聲波流量計硬件系統

超聲波接收信號為10mV～20mV級小信號，為了便于推動后面的調理、控制電路，需將小信號進行放大處理.因信號調理采用電壓比較方式，要求接收信號所含的干擾和噪聲應盡可能小，所以在信號處理部分添加濾波電路.整個超聲波接收電路包含兩級放大電路和有源帶通濾波電路.

超聲波接收信號為正弦信號，為了準確提取有用信息，即選擇合適的標記點作為時間測量模塊的停止記時使能信號，本文設計了閾值比較和過零比較相結合的雙電壓比較電路，即用閾值比較器對信號進行初次判斷后，觸發使能過零比較器工作，將產生的脈沖信號作為停止計時使能信號.

3.2 軟件系統設計

軟件主要包括PC機軟件和MCU主控軟件，前者包括人機交互界面和數據處理模塊，主要負責流量計工作時的人機交互、參數和模式設置、對下位機測量的數據進行數字濾波和計算處理等；后者包括通信軟件模塊和協調控制模塊，按照PC軟件設定的運行模式進行相應的下位機協調控制.

3.3 數據濾波算法設計

超聲波接收信號在放大和濾波處理過程中，受電源雜波和電磁干擾的影響，存在峰—峰值達30mV的雜波，而計時器的停止計時使能信號是通過對信號電壓比較而來的，于是可能直接導致測量的時間差數據存在噪聲和偶爾的尖峰，結果如圖5所示.圖中橫軸為流量計測量數據序號，縱軸為對應采集的超聲波順流傳播時間數據，峰—峰值存在7ns的波動，偶爾出現20多ns的尖峰.

圖5 測量數據的噪聲和尖峰

含噪聲的一維信號模型可表示為如下形式：

式中：s(k)為含噪信號；f(k)為有用信號，通常為低頻信號；e(k)為噪聲信號，是一階高斯白噪聲，通常表現為高頻信號；ξ為噪聲水平.可以按照以下步驟進行小波濾波算法處理：

1)一維信號的小波分解.選擇一個小波并確定小波分解的層次N，然后進行N層小波分解，得到一組小波系數 Wa，b；

2)小波分解高頻系數的閾值量化.選擇一個閾值對第1到第N層的每一層高頻系數進行量化處理，得到估計小波系數 Va，b；

3)一維小波的重構.根據小波分解的第N層低頻系數和經過量化處理后的第1層到第N層的高頻估計進行一維信號的小波重構.

由于小波變換的非因果性且不具備平移不變性，使小波變換難以實現遞推計算，因而小波濾波也不能遞推進行，從而影響了小波降噪的在線實時性［10-11］.為了實現實時降噪處理，必須兼顧降噪水平和信號處理速度.本文選用多尺度(多分辨率)小波變換算法，并且使用滑動窗口數據處理，實現對時間測量數據的實時小波濾波處理.

使用小波濾波算法對圖5的時間差測量數據進行滑動窗口數據處理，效果如圖6所示.從圖中可以看出濾波效果明顯，已將噪聲的峰—峰值控制在4ns以內.

圖6 測量數據的小波濾波處理

4 流量計實驗及誤差分析

當超聲波流量計主要針對小管徑、低流速的使用條件應用時，實現高精度測量存在諸多困難，如流體在小口徑管路中不能充分發展，流動狀態復雜，從而使得超聲波傳播時間差較小，測量難度大.為了實現高精度測量的要求，本設計從流量計模型、控制系統等方面進行了細致的設計，確保了流體修正系數和單通道超聲波傳播時間測量的高精度.

為了測試所設計的流量計性能，本文分別做了恒速測試、變速測試和總量測試3個實驗.實驗裝置包括小管徑超聲波流量計、綜合液體控制臺和輔助裝置等.其中超聲波流量計內徑為Φ8mm，綜合液體控制臺控制被測液體壓力和流速(0～3m/s)，其內部基準流量計精度為0.05%，在實驗中作為超聲波流量計測量的基準.綜合液體控制臺和超聲波流量計采用螺接方式連接.

4.1 恒速測試

為了測試超聲波流量計的精度，設計了恒速測試，采集流量計測量的流量數據和小波濾波數據，如圖7所示，測量流量數據存在2g/s的波動，經過小波處理后波動減少為0.7g/s，數據標準偏差為0.22%，精度為0.45%，系統誤差為0.08%，流量計精度為-0.53%～0.37%.

圖7 流量計恒速測試

4.2 變速測試

為了測試流量計對流速變化的響應，設計了變速測試.交替開關閥門，使流體流速在最小值0和某試驗值之間變化，時間間隔為2s.圖8為變速條件下測量的流速數據，當流體靜止時，測試數據基本為0，但由于系統誤差，測量原始數據存在0.5g/s的波動，經過小波濾波算法處理后，數據波動減少為0.15g/s.當流體以試驗速度流動時，測量時間差的原始數據存在0.7g/s的波動，而經小波處理后，數據比較穩定，波動小于0.3g/s.由于測試系統中控制流體的閥門開關存在時延，因此在流量變化曲線中可以明顯看到閥門開啟過程中管路內液體流量從小到大的變化過程.

4.3 總量測試

為了測試超聲波流量計在各個流速等級的累積誤差，設計了總量測試實驗.對每個流速等級進行10次總量測量，計算比較誤差百分比.圖9～10分別是流速為10g/s、23g/s的總量測試誤差百分比.

4.4 誤差分析

通過實驗發現，超聲波流量計在進行流量測量時還存在一定的誤差，通過對誤差的分析可以得出測量的系統誤差取決于兩個因素：流量計測量數據的線性度和修正系數的準確性.

圖8 流量計變速測試

圖9 流量為10g/s的總量測量

圖10 流量為23g/s的總量測量

由式(4)可分析出，測量數據的線性度由超聲傳播時間差和聲速c0決定.其中，前者可通過改善信號處理結構和降低處理電路噪聲來提高精度；由于c0與流體的溫度和壓力有關，溫度和壓力的變化會引入一定的誤差，而要測量溫度和壓力并消除誤差增加了軟硬件的復雜度，因此需通過改善測量算法去除聲速c0因素，流量只取決于超聲傳播時間和傳播路徑長度.

流體在管路中的流動分為層流和湍流兩種狀態，這兩種狀態對應的測量修正系數不相同，中間的過渡狀態更加的不確定，因此，需要精確測量不同流動狀態下的修正系數，建立原始測量數據和修正系數的對應關系.在工程應用中通過軟件查表法選擇相對應的修正系數，這樣才能進一步提高流量計測得的數據精度.

5 結 論

本文在傳統“Z”型超聲波流量計的基礎上針對小管徑、高精度的特定要求設計了新型的“π”型超聲波流量計結構，開發了以ATmega64和FPGA為主控制器、以高精度時間測量芯片為時間數據采集模塊等包含超聲信號激勵、接收放大濾波處理的流量計軟硬件控制系統.經過多項測試表明，該超聲波流量計測量精度達到了0.5%，可滿足航天器推進劑在軌流量測量的精度要求.

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Design of H igh-Accuracy U ltrasonic Flowm eter

DING Fenglin1， LIZongliang1， WEIYanming1， ZONG Guanghua2
(1.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190，China；2.Robotics Institute，Beihang University， Beijing 100191，China)

In order to solve the problems of short propagation path and difficulties in measuring the transittime when a traditional“Z” ultrasonic flowmeter is used for small calibermeasurement， a new ultrasonic flowmeter is designed.Propagation path is extended and the attenuation of ultrasonic intensity is reduced by altering the transducer's installation.The high-precision flowmeter control system is designed by using FPGA as the main-controller and high accuracy timer as the time interval measurement controller.The experiments of constant speed test，alternate flow rate test and gross flow rate test to ultrasonic flowmeter are imp lemented.The measure accuracy of ultrasonic flowmeter is about 0.5%.

ultrasonic flowmeter； flow ratemeasure；transit-time method

V448

A

1674-1579(2011)01-0028-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.006

2010-10-14

丁鳳林(1980—)，男，內蒙古人，工程師，研究方向為航天器推進技術(e-mail：cast-ding@yahoo.com.cn).