基于溫度自適應的超聲波渡越時間測量方法研究

李 勇

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

國內(nèi)多數(shù)煤礦瓦斯抽采計量主要靠差壓式流量計完成，基于流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生壓力差來實現(xiàn)流量測量，具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢，但測量精度低、范圍小、壓損大、易堵塞等缺點導致用戶體驗差。超聲波流量計具有非接觸、精度高、測量范圍寬等優(yōu)勢幾乎涵蓋了石化、供水、航空、天然氣、煤層氣等領(lǐng)域中廣泛應用。由于超聲波在氣體傳播介質(zhì)中存在傳播衰減大，聲學噪聲干擾嚴重等問題，液體超聲波流量計信號處理及渡越時間計算方法不適用于氣體超聲波流量計，因此氣體超聲波測量技術(shù)成為了科研領(lǐng)域一時難以攻破的技術(shù)難題。本文根據(jù)近年來研發(fā)V型錐、威力巴等差壓式流量計的經(jīng)驗及廣泛調(diào)研煤礦現(xiàn)場鉆場單孔、支管、干管及主管內(nèi)氣體流量特點后，提出一種基于溫度自適應的超聲波渡越時間測量方法研究。

超聲波氣體流量計[1-2]的研究起源可追溯到20世紀70年代。國外致力于超聲波氣體流量計研發(fā)的美國 Danniel、德國 Elster、荷蘭 Instrormet等公司研發(fā)的超聲波氣體流量計在精確度和穩(wěn)定性方面達到了較高水準；國內(nèi)的研發(fā)起步較晚，20世紀90年代由上海工業(yè)自動化儀表研究所、同濟大學聲學研究室、唐山儀表廠等單位開始研制氣體超聲波流量計，并逐步開始應用到煤氣、天然氣計量中，但測量精度、穩(wěn)定性都存在一定差距。近年來包括清華、浙江、天津、重慶大學等高校或企業(yè)加入到研發(fā)隊伍中，主要從三個方面展開：

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

噪聲抑制方法氣體傳輸過程中噪聲干擾會使換能器接收到的信號發(fā)生畸變，受噪聲污染信號增加了渡越時間測量難度，導致測量精度降低。采取有效的噪聲抑制方法是國內(nèi)外研究學者的重點，一直以來的濾波方法主要是利用帶通濾波器去除信號中的噪聲，但只能去除換能器工作頻率外的噪聲，頻率內(nèi)的噪聲信號無法有效處理。文獻[4]利用Laguerre濾波器對超聲波信號進行處理，Laguerre濾波結(jié)合了FIR濾波和IIR濾波的特點，是一種非常適用于實現(xiàn)遞歸最小二乘的自適應濾波算法。文獻[5]研究了自適應濾波的自相關(guān)模型和噪聲對消模型在超聲波流量計信號去噪中的應用，并利用仿真實驗證明了自適應濾波的這兩種擴展模型在寬帶噪聲和窄帶噪聲情況下有良好的濾波效果。

渡越時間測量方法目前常用測量方法有閾值法和互相關(guān)法。閾值法是通過預選設(shè)定一個閾值電壓，當接收信號的幅值達到閾值電壓時將該時刻作為超聲波信號的到達時刻。文獻[6]設(shè)計了一種超聲波接收信號自動增益控制系統(tǒng)，使接收信號的幅值保持穩(wěn)定，從而有利于超聲波信號的后續(xù)處理，能較好地控制接收信號幅值，但受噪聲干擾較大，信號出現(xiàn)畸變的情況下測量結(jié)果易出現(xiàn)較大偏差。文獻[7]提出了一種基于可變閾值過零檢測渡越時間的方法可較準確地找到接收信號的特征波，但一致性較差，適用范圍較小。文獻[8]提出了一種雙閾值檢測方法，與單閾值相比可提高渡越時間測量準確度。文獻[9]提出了一種基于數(shù)字極性相關(guān)算法的超聲波信號識別技術(shù)，先將超聲波接收信號進行極性化處理后通過計算極性相關(guān)函數(shù)的最大值確定兩個超聲波接收信號間的時延，但該方法沒有指明參考波形如何選取。文獻[10]利用回波法獲得準確的參考波形，結(jié)合互相關(guān)理論計算渡越時間克服了參考波形不易選取的障礙，但換能器相距較遠時會帶來嚴重跳周誤差，只適用于小口徑超聲波流量計。文獻[11]提出選用靜態(tài)平均波形作為參考波形，利用互相關(guān)算法獲得準確的超聲波渡越時間，但沒有考慮溫度等因數(shù)對換能器的影響，當溫度變化較大時靜態(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發(fā)生改變，導致接收波形發(fā)生變化，從而引起超聲波接收波形的過零檢測位置發(fā)生變化影響計量精度，針對這一現(xiàn)象文獻[12]從溫度和壓力出發(fā)，通過RLS自適應濾波對超聲壓電換能器傳輸特性進行校正；文獻[13-14]嘗試最小均方誤差LMS自適應濾波算法對超聲壓電換能器的傳輸特性進行補償。這些方法在運算量和可操作性上都有較大難度，如何準確獲取超聲波渡越時間是許多高校及科研院所爭相探討的技術(shù)難題。

1 研究內(nèi)容及研究方案

1.1 研究內(nèi)容

設(shè)計一種可自動調(diào)節(jié)參數(shù)的跟蹤算法用于抵消溫度對接收波形的影響，完成單通道氣體超聲波流量計原理樣機一套；為后續(xù)超聲波流量計廣泛應用于液體流量測量提供技術(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樣機平臺基礎(chǔ)上，基于壓電-電壓等效模型分析超聲波換能器的機理模型，結(jié)合發(fā)射波形和接收波形實測數(shù)據(jù)，計算等效參數(shù)，建立超聲波換能器發(fā)射端和接收端的經(jīng)驗數(shù)學模型。

（2）濾波算法設(shè)計

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

②設(shè)計自適應濾波算法：基于經(jīng)驗數(shù)學模型設(shè)計濾波器參數(shù)可調(diào)節(jié)的自適應濾波算法，通過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）自適應跟蹤算法研究

①基于閾值法或互相關(guān)理論設(shè)計超聲波渡越時間捕獲算法，在溫箱環(huán)境中通過設(shè)定不同溫度值進行超聲波收發(fā)時間測量；

②分析溫度對接收波形時域特征參數(shù)的影響規(guī)律，設(shè)計可隨環(huán)境溫度變化自動調(diào)節(jié)算法參數(shù)的自適應跟蹤算法；

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

1.2 研究方案

（1）項目技術(shù)方案與路線

采用技術(shù)調(diào)研、關(guān)鍵技術(shù)研究、樣機整機設(shè)計、試驗驗證的技術(shù)路線綜合開展研究工作，實現(xiàn)超聲波換能器模型參數(shù)辨識、自適應濾波算法研究、渡越時間自動跟蹤算法研究等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合超聲波驅(qū)動電路、接收電路、采集控制電路等硬件設(shè)計開發(fā)單聲道氣體超聲波流量計整機一套。通過溫度循環(huán)試驗，測試整機功能性能指標，驗證算法的適用性。具體技術(shù)路線如圖1所示。

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

（2）關(guān)鍵技術(shù)研究

首先對超聲波換能器進行機理研究得到壓電-電壓等效數(shù)學模型，結(jié)合實測數(shù)據(jù)完成模型參數(shù)辨識；其次針對換能器等效模型完成自適應濾波算法設(shè)計，并與常規(guī)濾波方法進行對比驗證；最后基于閾值法及互相關(guān)理論完成渡越時間自動跟蹤算法設(shè)計。

（3）流量計樣機設(shè)計

開展換能器模型分析、自適應濾波算法研究、渡越時間自動跟蹤算法研究等關(guān)鍵技術(shù)需要原理樣機進行驗證。采用模塊化設(shè)計思路，完成超聲波探頭布局設(shè)計、超聲波驅(qū)動電路設(shè)計、超聲波接收放大電路設(shè)計、自動增益控制電路設(shè)計、AD轉(zhuǎn)換、溫度采集電路設(shè)計及人際交互界面設(shè)計。氣體超聲波流量計樣機原理示意圖如圖2所示。

圖2 樣機原理示意Fig.2 Schematic diagram of prototype

（4）算法優(yōu)化設(shè)計

在溫箱試驗環(huán)境中，通過設(shè)定不同溫度進行渡越時間測量，建立溫度與接收波形特征參數(shù)對應關(guān)系，進行溫度補償算法設(shè)計，迭代及實時更新渡越時間跟蹤閾值，實現(xiàn)基于溫度自適應的超聲波渡越時間測量算法研究。

2 試驗驗證

在不同的溫度條件下進行實時流量測試，自測超聲波氣體流量計原理樣機的功能指標；采用在經(jīng)典流體動力學與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)上的新型獨立學科CFD（計算流體動力學）軟件建立不同的溫度場，分析其對超聲波傳播速度的影響規(guī)律。基本思想歸納為用有限個離散點上的變量值的集合來代替原本在時間上及空間上連續(xù)的物理量的場（如速度場和壓力場），通過創(chuàng)建這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組來獲得場變量的近似值。CFD技術(shù)具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能，從而可以高效地解決各個領(lǐng)域的復雜流動計算問題。當確定了所要求解的物理問題，制定詳細的求解方案后進行CFD建模和求解。

按照Fluent軟件的操作步驟，對幾種流量計的流場進行仿真，先建立計算幾何模型和對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。管道直徑設(shè)置為200 mm，長度為1000 mm，保證流量計前后直管段要求。將網(wǎng)格導入到Fluent中，選擇求解器和運行環(huán)境，確定計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，設(shè)定求解精度，開始求解及顯示求解結(jié)果。設(shè)置溫度場變化范圍為0℃～100℃，將同一個超聲波發(fā)射裝置發(fā)出的超聲波穿過不同溫度場時，得到的聲速數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 溫度對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，分子間碰撞更頻繁，超聲波傳播速度加快，但速度增加并不線性，需要對數(shù)據(jù)進行擬合和補償。擬合和補償?shù)姆椒ú捎脜^(qū)間線性修正的方式，在已知具有具體數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)采用對應的修正系數(shù)對超聲波傳播速度進行修正，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)應為（339-333）/（10-0）=0.6 m/s.℃，那么在8℃時超聲波的傳播速度值應為333+（8-0）×0.6=337.8 m/s；而在沒有具體數(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)進行修正，例如-8℃時的超聲波傳播速度，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)測量中，超聲波信號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，因此導致在傳播的不同時刻由于溫度的波動導致實際發(fā)射和接收的聲能發(fā)生很大變化，最終因為幅值的波動因素導致信號失真。要解決溫度變化帶來的測量誤差，采用的方法：①在信號處理電路中增加自動增益控制來避免接收到的超聲信號產(chǎn)生較大的幅值波動；②在超聲波接收電路中設(shè)計選頻調(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，濾除其它頻率的干擾信號；③采用窗口檢測方法限制信號的接收范圍，在一定的程度上消除噪聲的干擾；④采用脈寬檢測技術(shù)，根據(jù)接收信號頻率已知，且其寬度比干擾脈沖寬得多的特點來分辨出接收信號，以消除通常的幅度鑒別方法可能造成的誤差。實驗結(jié)果證明通過4種方法解決基于溫度自適應的超聲波渡越時間測量方法是切實可行的。

3 結(jié)語

氣體超聲波流量計作為氣體流量計中的一顆新星，目前包括美國、英國在內(nèi)的12個國家政府已經(jīng)批準將超聲波氣體流量計作為貿(mào)易結(jié)算的法定計量器具，近年來我國也開始大力推進氣體超聲波流量計的發(fā)展，并于2001年制定了國家標準《GBT 18604-2001用氣體超聲流量計測量天然氣流量》、2007年制定了檢定規(guī)程《JJG1030-2007超聲波流量計檢定規(guī)程》、2014年發(fā)布了修改后的國家標準《GBT18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》，因此具有巨大的研究價值和廣闊的應用前景，已成為流量計領(lǐng)域的研究重點和應用熱點。本項目為提高超聲波流量計的計量精度提出應用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對超聲波流量計在不同安裝條件下的誤差情況進行了系統(tǒng)研究，引入FLUENT CFD軟件對進行仿真分析，并利用計算獲得的數(shù)據(jù)對在特定流場下如何調(diào)整流量計安裝角度提高流場適應能力進行了分析，對不同聲道布置在流場分布下的誤差進行了計算，提出了溫度、流場分布對超聲波流量計檢測精度影響的補償方法，其研究的主要意義在于解決氣體超聲波流量計渡越時間測量精度不高的關(guān)鍵技術(shù)，打破國外少數(shù)廠家的技術(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)”、“開發(fā)低濃度煤層氣發(fā)電提效技術(shù)與裝備”要求，通過開展超聲波氣體流量計在信號處理算法及渡越時間計算方法的關(guān)鍵技術(shù)研究，填補在氣體超聲波流量計方面的技術(shù)裝備空白具有重要意義，同時可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，預計可實現(xiàn)年產(chǎn)值800～1000萬元。本項目通過對介質(zhì)溫度梯度分布變化和不均勻分布氣體流場對超聲波流量計檢測精度的影響研究，得出了針對溫度和流場變化引起的測量誤差進行補償?shù)姆椒ê蛿?shù)據(jù)，為提高氣體超聲波流量計檢測精度和現(xiàn)場適應性提供了技術(shù)基礎(chǔ)。