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）

國內多數煤礦瓦斯抽采計量主要靠差壓式流量計完成，基于流體流經節流裝置時產生壓力差來實現流量測量，具有技術成熟、成本低等優勢，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、測量范圍寬等優勢幾乎涵蓋了石化、供水、航空、天然氣、煤層氣等領域中廣泛應用。由于超聲波在氣體傳播介質中存在傳播衰減大，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成為了科研領域一時難以攻破的技術難題。本文根據近年來研發V型錐、威力巴等差壓式流量計的經驗及廣泛調研煤礦現場鉆場單孔、支管、干管及主管內氣體流量特點后，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的美國 Danniel、德國 Elster、荷蘭 Instrormet等公司研發的超聲波氣體流量計在精確度和穩定性方面達到了較高水準；國內的研發起步較晚，20世紀90年代由上海工業自動化儀表研究所、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加入到研發隊伍中，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定的數學模型，最后通過模型參數擬合得到渡越時間參數最優值。

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濾波結合了FIR濾波和IIR濾波的特點，是一種非常適用于實現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法。閾值法是通過預選設定一個閾值電壓，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]設計了一種超聲波接收信號自動增益控制系統，使接收信號的幅值保持穩定，從而有利于超聲波信號的后續處理，能較好地控制接收信號幅值，但受噪聲干擾較大，信號出現畸變的情況下測量結果易出現較大偏差。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]提出了一種基于數字極性相關算法的超聲波信號識別技術，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函數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，結合互相關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]提出選用靜態平均波形作為參考波形，利用互相關算法獲得準確的超聲波渡越時間，但沒有考慮溫度等因數對換能器的影響，當溫度變化較大時靜態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生改變，導致接收波形發生變化，從而引起超聲波接收波形的過零檢測位置發生變化影響計量精度，針對這一現象文獻[12]從溫度和壓力出發，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難題。

1 研究內容及研究方案

1.1 研究內容

設計一種可自動調節參數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；為后續超聲波流量計廣泛應用于液體流量測量提供技術支撐。

（1）換能器模型分析

在目前自主研發的超聲波氣體流量計樣機平臺基礎上，基于壓電-電壓等效模型分析超聲波換能器的機理模型，結合發射波形和接收波形實測數據，計算等效參數，建立超聲波換能器發射端和接收端的經驗數學模型。

（2）濾波算法設計

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

②設計自適應濾波算法：基于經驗數學模型設計濾波器參數可調節的自適應濾波算法，通過仿真施加噪聲干擾分析其與常規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理論設計超聲波渡越時間捕獲算法，在溫箱環境中通過設定不同溫度值進行超聲波收發時間測量；

②分析溫度對接收波形時域特征參數的影響規律，設計可隨環境溫度變化自動調節算法參數的自適應跟蹤算法；

③在溫箱環境進行溫度循環試驗，優化改進算法，提高系統的可靠性。

1.2 研究方案

（1）項目技術方案與路線

采用技術調研、關鍵技術研究、樣機整機設計、試驗驗證的技術路線綜合開展研究工作，實現超聲波換能器模型參數辨識、自適應濾波算法研究、渡越時間自動跟蹤算法研究等關鍵技術。結合超聲波驅動電路、接收電路、采集控制電路等硬件設計開發單聲道氣體超聲波流量計整機一套。通過溫度循環試驗，測試整機功能性能指標，驗證算法的適用性。具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線示意Fig.1 Sketch of technical route

（2）關鍵技術研究

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

（3）流量計樣機設計

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鍵技術需要原理樣機進行驗證。采用模塊化設計思路，完成超聲波探頭布局設計、超聲波驅動電路設計、超聲波接收放大電路設計、自動增益控制電路設計、AD轉換、溫度采集電路設計及人際交互界面設計。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）算法優化設計

在溫箱試驗環境中，通過設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對應關系，進行溫度補償算法設計，迭代及實時更新渡越時間跟蹤閾值，實現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；采用在經典流體動力學與數值計算方法基礎上的新型獨立學科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的物理量的場（如速度場和壓力場），通過創建這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組來獲得場變量的近似值。CFD技術具有豐富的物理模型、先進的數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格劃分。管道直徑設置為200 mm，長度為1000 mm，保證流量計前后直管段要求。將網格導入到Fluent中，選擇求解器和運行環境，確定計算模型和材料特性并設定邊界條件，調整有關的控制求解的參數，初始化流場，設定求解精度，開始求解及顯示求解結果。設置溫度場變化范圍為0℃～100℃，將同一個超聲波發射裝置發出的超聲波穿過不同溫度場時，得到的聲速數據記錄如表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

從表格中數據可以看出隨著介質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，需要對數據進行擬合和補償。擬合和補償的方法采用區間線性修正的方式，在已知具有具體數據的區間內采用對應的修正系數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，則在此溫度區間內的聲速修正系數應為（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；而在沒有具體數據的區間（如0℃以下，100℃以上）的修正方式可以采用鄰近區間修正系數進行修正，例如-8℃時的超聲波傳播速度，其修正系數選用0～10℃區間內的修正系數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。

在氣體介質測量中，超聲波信號的脈沖波形很難保持穩定，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射和接收的聲能發生很大變化，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生較大的幅值波動；②在超聲波接收電路中設計選頻調諧放大電路，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，根據接收信號頻率已知，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、英國在內的12個國家政府已經批準將超聲波氣體流量計作為貿易結算的法定計量器具，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年制定了檢定規程《JJG1030-2007超聲波流量計檢定規程》、2014年發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研究，引入FLUENT CFD軟件對進行仿真分析，并利用計算獲得的數據對在特定流場下如何調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鍵技術，打破國外少數廠家的技術壟斷，符合“十三五”科技創新規劃中提出的“低濃度煤層氣利用技術”、“開發低濃度煤層氣發電提效技術與裝備”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鍵技術研究，填補在氣體超聲波流量計方面的技術裝備空白具有重要意義，同時可以創造良好的經濟效益，預計可實現年產值800～1000萬元。本項目通過對介質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的方法和數據，為提高氣體超聲波流量計檢測精度和現場適應性提供了技術基礎。