基于自適應閾值的超聲波氣體流量計設計

馬勤勇

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)

0 引言

超聲波流量計具有測量精度高、測量范圍寬、無壓力損失等優點,可用于液體、氣體的流量測量[1-2]。近年來,超聲波氣體流量計發展迅速,在天然氣計量中得到了廣泛的應用[3-4]。

超聲波氣體流量計的精度主要取決于渡越時間的測量精度。然而對于不同于超聲波液體流量計而言,由于超聲波在氣體介質中傳播衰減大,且易受氣載噪聲的干擾,使超聲波接收信噪比低,渡越時間的測量變得復雜。常用的渡越時間檢測方法主要有互相關法、閾值法、多普勒法等。由于多普勒法依賴反射介質,主要應用于液體流量測量,因此互相關法和閾值法是超聲波氣體流量計中應用更廣泛的技術。

互相關法根據參考信號和被測信號的整體相似性來確定間隔時間。高巖峰等闡述了互相關法在低壓氣體測量中有較好的應用[5]。王銘學等提出了通過回波法獲得參考波形,并根據第二次反射的回波與直接接收波形進行相關運算,在流量試驗中取得了較好的測量結果[6]。然而,該方法多次反射后的回波幅值很弱,在大口徑管道中幾乎全被噪聲淹沒,難以正常測量。周洪亮等提出了平均參考波形法,通過對順逆流兩組接收波形進行平均獲得參考波形。試驗驗證了該方法的精度[7]。但是,該參考波形是在靜態無風環境中獲得的,環境溫度、壓力、介質密度等因素的變化都可引起接收波形的局部形狀發生緩變,因此該參考波形需要經常更新,在實際應用中難以實施。

閾值法的測量原理是將超聲波接收信號與閾值電平進行比較,當接收信號幅度達到閾值時,認為超聲波回波信號已經到達。閾值法分為固定閾值法、雙閾值法、比例閾值法等。固定閾值法依賴于接收信號的高信噪比,但超聲波在氣體介質中衰減嚴重、信噪比低,導致采用固定閾值法易出現“跳周”現象,測量誤差大。雙閾值法采用第一閾值識別噪聲信號、第二閾值檢測超聲渡越時間,可以避免噪聲的尖峰干擾影響測量精度[8]。但實際應用中,雙閥值法很難保證兩個閾值工作的協調性。穆立彬等提出了可變閾值方法[9]。該方法通過判斷接收波形局部峰值差異最大的區間,在此設置比例閾值完成渡越時間的測量。該方法中閾值的確定缺乏魯棒性,流量計長期工作的穩定性難以保障。

為了提高渡越時間檢測的準確性和穩定性,設計了多級濾波放大電路,用于提高超聲波接收信號的信噪比和穩定接收幅值;同時,提出基于自適應閾值的渡越時間檢測方法并將其用于流量檢測,在音速噴嘴氣體流量標準裝置上進行了實流標定試驗。

1 測量原理

超聲波換能器是超聲波氣體流量計的重要組成部分。兩個收發一體的超聲波換能器安裝于表體內,在幾毫秒內交替發送和接收超聲波信號,通過檢測順流和逆流過程的超聲波渡越時間可以計算得到管道內氣體的流速及流量[10]。超聲波氣體流量計測量原理如圖1 所示。

圖1 超聲波氣體流量計測量原理示意圖Fig.1 Measurement principle of ultrasonic gas flowmeter

在已知表體結構參數的前提下,根據速度矢量合成原理,可以得到順流和逆流的超聲波渡越時間:

式中:td為順流渡越時間;tu為逆流渡越時間;L為聲道長度;c為超聲波聲速;v為氣體流速;θ為聲道角。

如果測量得到td和tu,則管道中的氣體流速為:

2 接收信號處理

適用于超聲波氣體流量計的換能器的工作頻率在40～200 kHz 之間。該頻段內聲學噪聲干擾較明顯。由于聲阻抗不匹配,超聲波在氣體介質中傳播時吸收衰減和擴散衰減嚴重,如果不采取相應的措施,超聲波接收信號的幅值僅有幾毫伏,且極不穩定。本研究選用的超聲波換能器工作頻率為200 kHz,采用多級濾波放大電路,實現超聲波接收信號增益調節及干擾濾除;在此基礎上,采用自適應閾值實現了超聲波渡越時間的精確測量。

2.1 濾波及放大電路

第一級采用低通濾波電路。其電路增益為20 dB,截止頻率為295 kHz。低通濾波電路如圖2所示。

圖2 低通濾波電路Fig.2 Low-pass filter circuit

第二級采用二階帶通濾波放大電路,其通帶中心頻率為200 kHz,帶寬為30 kHz,增益為26 dB。帶通濾波電路如圖3 所示。

圖3 帶通濾波電路Fig.3 Band-pass filter circuit

第三級采用自動增益控制電路,主要由壓控增益放大器(AD603) 配合數模轉換器(digital-analog converter,DAC) 和現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)處理器實現。AD603具有-10～+30 dB 的調節范圍,增益調節精度為±0.5 dB。FPGA 處理器通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)總線調整DAC 電壓輸出,與1.24 V 參考電壓的差值作為AD603 的增益控制信號,從而實現對前級信號進行放大和衰減。自動增益控制電路如圖4 所示。

圖4 自動增益控制電路Fig.4 Automatic gain control circuit

2.2 渡越時間檢測

閾值法原理如圖5 所示。

圖5 閾值法原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of threshold method

多級濾波放大電路初步實現了超聲波接收信號幅值的穩定,但在流量較大或出現湍流的情況下,盡管超聲波接收信號的峰峰值被調整到固定范圍,其局部幅值仍會出現抖動現象,且采用固定閾值法會導致渡越時間測量結果出現“跳周”現象,從而引起較大流速誤差。為了提高閾值法的抗干擾性能,采用自適應閾值法進行渡越時間檢測,處理步驟如下。

①對經過高速AD 采樣的離散超聲波信號進行最大峰值(P7)搜索,記錄最大值和對應的時間。②搜索最大峰值之前的6 個局部峰值(P1～P6),記錄這6 個局部峰值的幅度和對應的時間。③將這6 個局部峰值逐個與預設閾值K進行比較(預設閾值在第3 個和第4 個局部峰值之間,且比P3幅值大100 mV)。當某個局部峰值小于閾值并且其后一個局部峰值大于閾值時,認為找到了特征時間。最后搜索特征時間之前的第一次過零時間,將該過零時間減去固定延時即可得到超聲波渡越時間。

為了提高閾值法檢測抗干擾性能,局部峰值P3的有效性需嚴格判斷及取舍。如果P3幅值波動大于50 mV,則認定該接收波形不適合閾值測量,將其舍棄并重新開始下一次信號接收采集與判別。反之,如果P3幅度波動不大于50 mV,則認為滿足閾值測量要求。此時,記錄P3的幅值大小,并將其與P3的前8 次歷史數值進行滑動平均處理。其平均結果加上100 mV 的數值作為新的閾值,進行下一周期的超聲波渡越時間檢測,從而完成閾值動態調節與更新。自適應閾值軟件流程如圖6 所示。

圖6 自適應閾值軟件流程Fig.6 Flowchart of self-adaptive threshold sofware

整個渡越時間檢測算法在高速FPGA 中實現。通過同樣的方法,可計算得到順流和逆流兩個方向的超聲波渡越時間,并根據式(3)完成管道內氣體流量的實時計算。

3 試驗驗證

為了驗證自適應閾值算法的準確性,采取了實流標定方式進行檢驗。本試驗在重慶科技檢測中心的音速噴嘴氣體流量標準裝置(不確定度為0.27%)上開展,以空氣作為被測介質,測試對象為自主研發的DN100 單聲道超聲波氣體流量計。該流量計由表體、兩個超聲波換能器和信號處理單元組成,聲道角為45°,表體上游直管段長度大于10 倍管徑,下游直管段長度大于5 倍管徑,環境溫度為24 ℃,大氣壓力為97.6 kPa。

首先,在零流量下校準超聲波氣體流量計的零點。然后,啟動音速噴嘴氣體流量標準裝置,將音速噴嘴調整到給定的流量值,并在音速噴嘴流量和超聲波流量計流量示值穩定時,記錄兩個儀表在相同時間段內的累計流量。最后,重復此過程三次,將累積流量轉化為瞬時流量,計算出各流量點的平均流量、相對誤差和重復性。流量標定誤差分析如表1 所示。

表1 流量標定誤差分析表Tab.1 Error analysis table of flow calibration

由表1 可以看出,采用自適應閾值法的超聲波氣體流量計在10～651 m3/h 流量范圍內具有良好的測量精度,其測量誤差小于1%,測量重復性小于0.2%,符合國家《超聲流量計檢定規程》JJG 1030—2007 中準確度等級1.0 級的測量指標要求。

4 結論

本文分析討論了互相關算法和閾值法在超聲波氣體流量計中的特點。為了提高超聲波渡越時間測量的穩定性與準確性,針對超聲波信號的接收處理,設計了多級濾波放大電路和自動增益控制電路,用于提高超聲波接收信號的信噪比;同時,采用自適應閾值法用于超聲波渡越時間的檢測,通過關鍵局部峰值的歷史平均值遞推得到新的閾值,可以避免幅值抖動引起渡越時間測量出現較大誤差。在音速噴嘴氣體流量標準裝置上進行了實流標定試驗。試驗結果表明,該設計方案具有較高的測量精度和重復性。該研究方法可彌補互相關算法和常規閾值法用于超聲波流量測量的不足,對提高超聲波氣體流量計的穩定性和準確性具有重要作用。