一種抑制時(shí)差法超聲流量計靜態(tài)漂移的方法

    1 引言

    超聲流量計可以實(shí)現非接觸高精度測量，具有量程寬、無(wú)壓損、組成簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、污水處理、工業(yè)及生活用水等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景[1-2]。

    超聲流量計發(fā)展至今，已經(jīng)有多種測量方式，按測量原理可以分傳播速度差法、多普勒效應法、波束偏移法等。時(shí)差法是超聲流量傳播速度差法的一種，與其他測量方式相比，具有測量方式簡(jiǎn)單和計量精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以其一直備受關(guān)注。但是靜態(tài)漂移問(wèn)題，一直是時(shí)差式超聲流量計精度提升的瓶頸。靜態(tài)漂移問(wèn)題與超聲信號準確判斷密切相關(guān)，超聲流量計測量的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境復雜，接收到的超聲波信號比較小，易受干擾，另外流體中固體顆粒及電磁波極易使接收的超聲波信號幅值發(fā)生變化[3]，導致測量不準確和計量精度的下，所以精確判斷接收超聲波信號的到達時(shí)刻是解決靜態(tài)漂移，提升時(shí)差法超聲流量計的計量精度重要方法之一。

    在時(shí)差式超聲流量計中，最常用的信號處理方法為閥值法[4-5]。閥值一旦設定，其值保持不變，而在實(shí)際測量過(guò)程中，因外界環(huán)境是變化的，它會(huì )影響接收到的超聲信號，從而使時(shí)間差的測量產(chǎn)生誤差，嚴重影響超聲流量計的計量精度。文中采用過(guò)零閥值平滑模型對傳統的閥值法進(jìn)行了改進(jìn)，可以較準確測量超聲信號在流體中傳播的時(shí)間差，提高時(shí)差法超聲流量計的計量精度。

    2　時(shí)差法超聲流量計工作原理

    時(shí)差法超聲流量計工作原理如圖1所示。α為流速方向和超聲波傳播方向的夾角α，當為銳角時(shí)，稱(chēng)之為順流；當α為鈍角時(shí)，稱(chēng)之為逆流。超聲波信號在動(dòng)態(tài)介質(zhì)（流體）中，與靜態(tài)介質(zhì)（流速為零）相比，順流時(shí)信號傳播速度增加，傳播時(shí)間減小，逆流時(shí)信號傳播速度減小，傳播時(shí)間增加，從而順逆流方向聲波信號傳播時(shí)間存在差值（即時(shí)差）。時(shí)差法超聲流量計就是根據介質(zhì)的流速與時(shí)差存在線(xiàn)性關(guān)系原理進(jìn)行測量的，只要準確測定順逆流時(shí)間，根據流速與其線(xiàn)性關(guān)系，可以求出瞬時(shí)流速，進(jìn)而可以求出瞬時(shí)流量[6]。

圖1　時(shí)差法超聲流量計原理圖

    圖1中的s₁、s₂分別代表兩個(gè)超聲波換能器；t₁為換能器s₁發(fā)射、s₂接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即順流時(shí)間；t₂為換能器s₂發(fā)射、s₁接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即逆流時(shí)間；V為液體流速；D為管道直徑；θ為超聲波進(jìn)入液體的入射角。超聲流量計順流時(shí)間t₁和逆流時(shí)間t₂分別用下式計算[7]，即、

     

    其中，C為超聲波信號在水中的聲速，τ為信號在換能器及硬件電路中的時(shí)間延遲。設ΔT為順逆流時(shí)間差，則

     

    因常見(jiàn)液體中聲速要大于1000m/s，而液體流速小于10m/s[7]，即C²>>V²，所以式（3）可以簡(jiǎn)化為

       （4）

    由式（4）可得流速

     （5）

    通過(guò)式（5）可求出瞬時(shí)流量

     （6）

    式中，K為流速分布修正系數，S為管道截面積，D為管道直徑。

    3　靜態(tài)漂移的產(chǎn)生

    理論上，在流體靜止的情況下（流速為0m/s），時(shí)差法超聲流量計測量的順流時(shí)間t₁和逆流時(shí)間t2應該相等，時(shí)間差ΔT應該為0。但是因采用的兩個(gè)超聲換能器的靈敏度、機電耦合等參數不可能完全相同，靜態(tài)情況下ΔT一般在一個(gè)范圍內變化，則由式（6）可知靜態(tài)下的瞬時(shí)流量Qs應在一個(gè)范圍內波動(dòng)。超聲流量計對流動(dòng)流體的測量，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)計量，動(dòng)態(tài)瞬時(shí)流量為記作Qd。假設時(shí)差式超聲流量計要滿(mǎn)足分界流量為q_t，精度為1%，則ΔT必須滿(mǎn)足

     （7）

    其中，ξ為一個(gè)精度閥值參數（由分界流量和精度決定），所以靜態(tài)瞬時(shí)流量Qs滿(mǎn)足

      （8）

    式中，δ=f（ξ）。當靜態(tài)瞬時(shí)流量Qs不滿(mǎn)足式（8）時(shí)，定義該狀況為靜態(tài)漂移。

    解決靜態(tài)漂移的基本方法是準確的判斷超聲波的到達時(shí)刻，即得到準確的順逆流時(shí)間，進(jìn)而得到準確的時(shí)間差。

    通常用閥值比較法來(lái)判斷超聲波的到達時(shí)刻，閥值比較法的原理圖如圖2所示，圖2（b）為（a）中框圖放大部分。

    圖2（b）中，DS為發(fā)射換能器的脈沖驅動(dòng)信號；TS為接收換能器接收到的超聲波信號；T為順流時(shí)間（逆流時(shí)間）；t為時(shí)間坐標軸；Z為硬件閥值；a、b、c、d依次為接收的超聲波第二個(gè)周期的4個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，a為過(guò)零點(diǎn)。假設圖2中，接收換能器在一次靜態(tài)測量時(shí)接收的超聲波為T(mén)S，閥值Z首次與該信號切割時(shí)刻為c點(diǎn)，此時(shí)的超聲流量計測得順流時(shí)間（逆流時(shí)間）為T(mén)，時(shí)間差為ΔT。如果下一次接收的超聲波幅值比該次大或者小，則閥值Z首次與該信號切割的時(shí)刻點(diǎn)c點(diǎn)會(huì )前移或后移，導致測量的順流時(shí)間（逆流時(shí)間）偏大或偏小。由于超聲波比較微弱，易受到流體中固體顆粒、外界環(huán)境以及電子元器件老化因素的影響，從而會(huì )使接收超聲信號幅值發(fā)生變化，使Z與超聲波首次切割的時(shí)刻點(diǎn)c點(diǎn)會(huì )前移或后移，順流時(shí)間和逆流時(shí)間測量不準確。在靜態(tài)情況下，順流時(shí)間和逆流時(shí)間都是ms級的，兩者大小很接近，使得時(shí)間差ΔT為ps級，容易出現3種使靜態(tài)漂移|Qs|>δ的情況：

   

 圖2　閥值比較法

    （1）如果接收超聲波幅度變大，Z首次與接收信號切割時(shí)刻為第二周期的b點(diǎn)，此時(shí)測得順流時(shí)間（逆流時(shí)間）記為T(mén)1，時(shí)間差為ΔT1，|ΔT1|>|ΔT|，從而|Qs|>δ；

    （2）如果接收超聲波幅度變小，Z首次與接收信號切割時(shí)刻為第二個(gè)周期的d點(diǎn)，此時(shí)順流時(shí)間（逆流時(shí)間）記為T(mén)2，時(shí)間差為ΔT2，|ΔT2|>|ΔT|，從而|Qs|>δ；

    （3）如果接收超聲波幅值變大或變小的程度很大，那么Z首次與接收超聲波信號切割時(shí)刻可能為第一個(gè)周期或第三個(gè)周期的某一時(shí)刻點(diǎn)，使得靜態(tài)測量時(shí)間差增大或減小一個(gè)周期，這樣測量的順流時(shí)間或逆流時(shí)間就是錯誤的，從而時(shí)間差是錯誤的，導致瞬時(shí)流量測量結果錯誤。

    上面3種情況都產(chǎn)生了靜態(tài)漂移，主要原因是不能準確的判斷接收超聲波信號到達時(shí)刻，這是閥值比較法較大的缺陷。嚴重影響時(shí)差式超聲流量計的動(dòng)態(tài)計量精度，甚至產(chǎn)生計量錯誤。減小靜態(tài)漂移是提高時(shí)差法超聲流計量精度非常有效的方法。

    4　實(shí)現抑制靜態(tài)漂移的方法

    當換能器接收到超聲波信號時(shí)，由于換能器由靜止到震蕩穩定需要一定的時(shí)間，傳統閥值比較法采用第二個(gè)周期信號作為判斷接收的超聲波信號到達時(shí)刻點(diǎn)的標志，可以很好去除該信號穩定所需要的時(shí)間，但是當超聲信號的幅值大小波動(dòng)時(shí)，該模型不能很準確判斷超聲波到達的時(shí)刻。由于在該模型中，閥值電壓Z首次與接收的超聲信號切割時(shí)刻點(diǎn)會(huì )發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生靜態(tài)漂移，導致計量不準確。

    當接收換能器接收到信號時(shí)，就會(huì )在其電極兩端產(chǎn)生中心頻率f0的超聲波信號y（t），即

       （9）

    其中，r（t）為關(guān)于t的調制函數，則y（t）為幅度調制信號，f0為諧振頻率，Φ為初始相位，為了討論方便，設初始相位Φ為零。當時(shí)，y的值為零，該時(shí)刻點(diǎn)稱(chēng)為過(guò)零點(diǎn)，不受調制信號r（t）的影響。超聲波在流體中傳播時(shí)候，環(huán)境噪聲主要影響調制信號r（t）部分，對cos（2πf0t）部分沒(méi)有影響。把過(guò)零時(shí)刻點(diǎn)作為判斷接收超聲回波信號到達的標志，可以很好的解決由于接收的超聲波幅值變化而導致到達時(shí)刻錯判的問(wèn)題，能很準確測量順流和逆流時(shí)間[829]，克服了閥值比較的不足，靜態(tài)漂移比較小。

    基于以上分析，文中采用過(guò)零和閥值比較相結合的方式，稱(chēng)之為過(guò)零閥值模型，能很好解決上述閥值比較模型的缺點(diǎn)，減小靜態(tài)漂移，可以提高時(shí)差法流量計的計量精度。過(guò)零閥值模型實(shí)現原理如圖3所示，Z為硬件閥值；ultrasonic為接收的超聲波信號；Q1、Q2、Q3、S分別為輸出信號。

    圖3　過(guò)零閥值模型原理圖

    在靜態(tài)情況下，超聲流量計順流測量時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)圖3所示電路，各部分輸出信號如圖4所示，處理過(guò)程如下：

    Step1：ultrasonic信號經(jīng)過(guò)comparater1時(shí)，進(jìn)行閥值比較，當幅值大于閥值Z時(shí)，Q1輸出高電平，Q1的波形如圖4（b）所示；

    Step2：ultrasonic信號經(jīng)過(guò)comparater2時(shí)，當幅值大于閥值Z時(shí)，此時(shí)Q2輸出高電平，經(jīng)過(guò)Not之后使該比較器進(jìn)入鎖存狀態(tài)，此時(shí)Q2的波形被鎖存，即一直為高電平，如圖4（c）圖所示；

    Step3：ultrasonic信號經(jīng)過(guò)comparater3時(shí)，進(jìn)行過(guò)零比較，輸出信號Q2的波形如圖4（d）圖所示；

    Step4：把圖4中的（c）和（d）圖波形進(jìn)行邏輯與運算，最后得到輸出波形如圖4（e）所示，stop信號作為判斷接收超聲信號到達的標志，即計時(shí)芯片停止計時(shí)的標志。

    圖4　過(guò)零閥值模型信號處理過(guò)程

    經(jīng)過(guò)以上4步后，計時(shí)芯片能夠測得較準確順流時(shí)間T3，用同樣的方法測得逆流時(shí)間T′3，就可以計算出較準確測量時(shí)間差ΔT3和靜態(tài)瞬時(shí)流量。對于超聲換能器來(lái)說(shuō)，如果發(fā)射換能器的驅動(dòng)信號一定的情況下，接收換能器接收到超聲波形是不變的，則通過(guò)閥值比較出脈沖的個(gè)數是不變的。每次測量時(shí)該脈沖的個(gè)數設為N，計數器對該脈沖串進(jìn)行計數，閥值計數測試框圖如圖5所示。進(jìn)行一次測量時(shí)，如果該記錄值為N，則進(jìn)行下一次的測量；如果該記錄值不為N，則舍棄該組數據，進(jìn)行重測。

    為了進(jìn)一步減小靜態(tài)漂移，提高時(shí)差法超聲流量計的抗干擾能力，文中在過(guò)零閥值比較模型的基礎上，又增加了軟件平滑濾波方法[10]。這樣可以有效的減小隨機干擾信號對硬件系統的影響，剔除測量過(guò)程中的誤差數據，提高了系統的計量精度。

    5　實(shí)驗結果分析

    為了驗證過(guò)零閥值平滑模型的優(yōu)點(diǎn)，文中做了對比實(shí)驗。在靜態(tài)條件下分別對閥值比較法、過(guò)零閥值模型以及過(guò)零閥值平滑模型進(jìn)行實(shí)際的測量，獲得瞬時(shí)流量，即靜態(tài)漂移，結果如圖6至圖8所示。圖中橫坐標為測量的次數，縱坐標為瞬時(shí)流量。

    圖5　閥值計數方框圖

     

    圖6　閥值比較法靜態(tài)瞬時(shí)流量

     

    圖7　過(guò)零閥值模型靜態(tài)瞬時(shí)流量

    圖8　過(guò)零閥值平滑模型靜態(tài)瞬時(shí)流量

    在分界流量qt為Qt（M³/H），且精度滿(mǎn)足1%的條件下，靜態(tài)瞬時(shí)流量的必須滿(mǎn)足式（8）（為10QtL/H）。根據實(shí)際需求，分界流量選擇為3M3/H，且精度為1%，那么靜態(tài)瞬時(shí)流量δ1≤30L/H。

    圖6為閥值比較法測得的靜態(tài)瞬時(shí)流量，靜態(tài)瞬時(shí)流量波動(dòng)很大，而且存在測量錯誤點(diǎn)，遠遠不能滿(mǎn)足分界流量為3M3/H，精度為1%的要求；圖7為過(guò)零閥值模型測得的靜態(tài)瞬時(shí)流量，基本上可以滿(mǎn)足分界流量為3M3/H，精度為1%的要求，但是存在個(gè)別誤差點(diǎn)；圖8為過(guò)零閥值平滑模型測得的靜態(tài)瞬時(shí)流量，完全可以滿(mǎn)足始動(dòng)流量為3M3/H，精度為1%的要求。

    為了對比上述3種方法之間的穩定性和重復性[11]，文中對實(shí)測數據分別計算其期望、方差及標準差進(jìn)行對比如表1所示。

     

    經(jīng)過(guò)對3種方法的實(shí)際測量數據的數學(xué)統計分析可以看出，零閥值平滑模型實(shí)測數據的期望、方差和標準差要小，該系統的重復性和穩定性比較好，測量的數據更接近實(shí)際測量真實(shí)值，波動(dòng)性很小，可以實(shí)現抑制靜態(tài)瞬時(shí)流量波動(dòng)，可以很好地解決靜態(tài)漂移問(wèn)題。

    6　結束語(yǔ)

    時(shí)差式超聲流量的閥值比較模型，抗環(huán)境噪聲和元器件老化的能力差，不能準確地判斷接收超聲信號到達的時(shí)刻，會(huì )產(chǎn)生靜態(tài)漂移，一直制約時(shí)差式超聲流量計精度的提高。文中對傳統閥值比較法進(jìn)行硬件改進(jìn)和從系統角度對測得的數據進(jìn)行軟件優(yōu)化，可以很好判斷接收的超聲信號到達的時(shí)刻點(diǎn)，較準確測定順流和逆流時(shí)間，有效抑制了靜態(tài)漂移問(wèn)題，提高時(shí)差式超聲流量計的計量精度。

    參考文獻：

    [1]蔡武昌，超聲流量計的市場(chǎng)與應用[J]。世界儀表與自動(dòng)化，2007，10（11）：14-15。
    [2]羅再揚，李秋蓮。淺談超聲流量計在原油記錄中的應用[J]。油氣田地面工程，2007，26（4）：36-37。
    [3]蘭純純，時(shí)差法超聲波流量計的研究[D]。重慶：重慶大學(xué)，2006。
    [4]沈志輝，林偉軍，張澄宇，等。用于井下超聲石油流量計的互相關(guān)方法[J]。聲學(xué)技術(shù)，2008，27（6）：845-849。
    [5]李廣峰，智能化超聲波水流量計的硬件設計與制作[D]。西安：西安理工大學(xué)，2000。
    [6]蔡武昌，孫淮清，紀綱。流量測量方法和儀表的選用[M]。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004。
    [7]劉存，黃建軍。時(shí)差法超聲流量計的幾點(diǎn)改進(jìn)[J]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24（2）：113-115。
    [8]張濤，蒲誠，趙宇洋。傳播時(shí)間法超聲流量計信號處理技術(shù)進(jìn)展述評[J]�；�工自動(dòng)化及儀表，2009，36（4）：1-7。
    [9]姜勇，時(shí)差法超聲波流量計設計與研發(fā)[D]。杭州：浙江大學(xué)，2006。
    [10]邱天爽，張旭秀，李小兵，等。統計信號處理-非高斯信號處理及其應用[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2004。
    [11]張永瑞，劉振起，楊林耀，等。電子測量技術(shù)基礎[M]。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007。