超聲波氣體流量計反饋回路的最優算法研究

劉 佩，萬 勇

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

氣體超聲流量計是20 世紀90 年代被廣泛采用的高精度、高穩定性的流量測量儀器，它是一種非常先進的流量計，能夠提供準確的數據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境因素的影響，已經被廣泛地應用于化學和冶煉行業[1]。其準確的數據和可靠的性能正迅速地被得到認可并在相關企業推廣應用。

超聲氣體流量計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，均能夠滿足實驗要求，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。氣體超聲波流量計通過傳播時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生超聲波，換能器把這些超聲波數據獲取并進行處理形成反饋波，一般有直射通道和反射通道兩種結構測量，通過對測量管段內的超聲波換能器1 和換能器2 的交替發射和接收，可以比較它們沿不同流層的聲波路徑的傳播時間差，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的自動控制及其相關研究入手，構建背景概述，再詳細討論其相關算法。

圖1 直射與反射通道結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct channel and reflection channel structure

1 超聲氣體流量計自動控制相關研究

超聲波流量計具有流場無擾動、無運動部件、無壓力損失、測量精度高、性能穩定可靠、測量范圍寬等特點廣泛應用于管道內氣體和液體測量，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，國內外科研學者們進行了廣泛探索，以期達到滿足應用的需求，應運而生了諸如階躍脈沖、方波、調制脈動、單雙極性、頻率幅值調制、“拖尾”、過零電平檢測法、動態閾值檢測法、包絡線自相干涉檢測法等多種檢測手段。盡管已經嘗試了如減少其因介質、溫度等因素產生的延遲來提高準確性，但仍然存在一些挑戰。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間[2]。其主要挑戰就是準確性，首先它必須能夠應付氣體的高頻波動且能夠快速準確地捕捉到氣體的流動。其次它必須能夠應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射換能器時[3]，接收換能器接收到產生的超聲信號，輸出回波信號呈主軸形狀。隨著超聲換能器的阻尼作用，回波信號在較長時間內會逐漸消失，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[4]的測量受多種通道的限制，包括傳感器尺寸、參數設置等都會導致接收的數據發生改變。為了保證準確性必須采用自適應技術調節超聲波發射和接收頻率來消除超聲波傳播速度的時延性以實現超聲流量計的準確測量。通過采用具備一致的發射波形、傳輸環境及多種傳輸方式的雙向交叉算法抵消電路的時間延遲，避免因接收端的信號質量而導致準確性受到限制；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性來減少或消除對結果的影響；最后利用綜合運用誤差分析技術、實際施工技術及現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用于煤炭行業的瓦斯抽采、壓風自救及注氮等系統中。

2 自動控制的最優反饋回路算法

2.1 超聲波氣體流量測量原理

當前超聲波流量計的信號檢測技術已經發展到包括傳播速度差法、波束移位法、多普勒法、相關法、空間濾波法和噪聲法等[5]，都能滿足不同工業領域的氣體計量需求，隨著科研工作者的努力攻關，相差法、頻差法等都得到了良好應用，其中傳播速度差法[6]由于具有測量數據準確性強、對外界條件變化的干擾抵抗能力高而被廣泛使用。基于直射通道和反射通道結構測量的基本討論結果，本反饋回路算法擬采用時間差法來測量管道內氣體瞬時流量，利用超聲波在正向流動和反向流動情況下的運動時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

根據圖2 所示，將2 個換能器間的線性距離設為L，可計算出順流方向傳播時間t12和逆流方向的傳播時間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 表示氣體在管道內的流動速率；L 表示聲音傳播的路徑長度。

進一步計算出順流方向傳輸時間t12小于等于逆流方向的傳輸時間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）：

當氣體在管道內流動時的傳輸時間的差異非常小，每個方向上的傳輸時間是毫秒級。因此準確測量渡越時間是非常重要的。

2.2 超聲波氣體流量測量的實現

超聲波作為一種機械波其傳播特性不太理想，在傳播過程中容易產生信號畸變，為了提高測量信號的信噪比則需對其進行濾波，通過對切比雪夫濾波器[7]和橢圓濾波器[8]等相比較，巴特沃斯濾波器在通帶內具有最大的平坦幅頻特性[9]，且在時域內響應速度較快，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，其二階帶通濾波器G（s）的傳遞函數定義為

式中：ζ 為濾波器阻抗系數；w0為帶通濾波器的中心角頻率。進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，有效抑制濾波器帶來的相位延遲更準確地捕捉到回波信號特性，還能不用預先定義閾值，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間推移而發生的變化，把兩種激勵的回波信號相加而獲取疊加波形來構建出新的模擬方法。

集成電路的構造包括增益控制芯片VCA810、峰值采樣、A/D 變換、單片機控制和壓力調節。控制芯片是自動增益控制系統的關鍵，其性能決定了整個自動增益控制電路系統的成功與否。為了在回波信號中找到穩定的特征點則需要準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斜率零點，就可以在縱坐標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精確地定位信號中的正弦周期間隔獲得更加精確的結果。利用閾值過零檢測方法準確找到特征波后計算出所需的過零點，采集6 個過零點數據準確地算出信號的傳輸距離，有效抑制隨機誤差提升測量準確性。這6 個過零點所代表的時間數據依次作為一個總體參考，其順序排列如下：

當發現n 點的幅度與n+1 點的幅度的極性相反時使用線性插值來計算信號的過零點時間，假設信號的采樣周期Tc是一個固定的，則定義線性插值計算過零點所對應的時間為Ti，得出公式（9），就可以得到疊加波形的變化規律：

在設計中一個回波信號周期T 由100 個采樣點組成，每個采樣點都會被移位以獲取更多信息。當2 個采樣點被移動時則會產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 個采樣點的變化。根據疊加波形的變化規律趨勢，如圖3 所示，間歇激勵法的成功關鍵在于找到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 自動控制的最優反饋回路算法

通過采用多個控制回路的聯系實現對運動的有效監測。這些控制回路的計算首先是確定第n 個控制循環的位置值Lp（n），如公式10 所示。然后根據公式進行處理，式中使用的累加和積分符號是為了方便描述算法，其含義并不嚴格符合微積分或累加符號的數學定義，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現對位移參數的控制。

由于每個周期很短且位移較小，不可能一次完成系統給定的位移，因此須根據如運動速度和加減速時間作為閉環控制的輸入給定值等參數計算。每個周期根據電流偏差值來控制電機轉速以完成一定的位移量并消除偏差，就實現了自動控制的最優反饋算法。

3 試驗結果與分析

超聲波氣體測量主要由MAX35104 芯片實現，芯片通過SPI 發送各種命令使芯片中的定時模式來測量氣體流量。試驗使用示波器對超聲波收發模塊性能進行了測試，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，下面的藍色信號是超聲波接收信號經過放大濾波后的信號，根據試驗結果表明超聲波氣體流量計是采用了傳播時間差測量原理設計的，可以根據不同氣體特性調整校準程序，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同時安裝在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，采用單音測量法進行測量實驗。根據仿真實驗數據結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±1%，同時可以看出流量較小的時候測量的誤差較大是因為在流量較小的時候渡越時間差的測量相對誤差增大。實驗室仿真數據結果如表1 所示。

表1 實驗室仿真數據結果Tab.1 Results of simulation experiment

4 結語

通過引入先進的自動控制及相關優化技術，成功地解決了氣體超聲流量計的信號檢測問題，使單通道氣體超聲流量計可以穩定可靠地運行且設計出新型超聲波氣體流量計，實現了系統的自動控制，采用閉環反饋控制并通過仿真驗證，可以準確地比較信號波形的性能。通過將本算法應用于氣體超聲波氣體流量計能夠有效克服傳統流量計的缺陷，提高超聲波流量計的測量精度，減輕人工實測進行比對的勞動強度，為相關企業在氣體檢測計量工作提供強大的數據支持，并取得了良好的效果，受到了使用者及各級領導的一致認可，對氣體超聲波流量計的普及具有重要意義和積極作用。