流量计量仪表的现状及趋势

文/裴新涌

流量计量仪表的现状及趋势

文/裴新涌

本文简要介绍了当前发展最具代表性的两种流量计的测量原理，即超声波流量计和科氏质量流量计，并综述了两种流量计量中信号处理方法的研究现状，在此基础上，对信号处理方法的研究趋势进行了展望。

流量计量；超声波流量计；科氏质量流量计；信号处理方法

流量计量是工业制造和国防建设中不可或缺的技术基础，流量计量的可靠性、安全性、准确性，与我国的国防建设、经济发展、科学研究均有着十分密切的关系。在注重保护环境和节约能源的今天，越来越多的人已经认识到了流量计量的重要性。随着科学技术的日益进步和工业化程度的不断提高，对流量计量的要求也越来越高，广泛的测量参数和复杂的工作环境也要求科技工作者们不断的改进现有流量计的技术性能或设计出新型的流量计，因此，流量计的研究和开发也受到了更为广泛的关注。

1.流量计的测量原理

超声波流量计通过检测流体流动对超声波脉冲的作用来测量流量，由超声波换能器、电子线路和显示系统等三部分组成［1］。常用的超声波流量计检测方法可笼统地划分为频域方法和时域方法，主要有：时差法、频差法、相位差法、波束偏移法、多普勒法和相关法等。

时差法、频差法和相位差法可统称为传播速度差法，主要是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播时间的不同来进行的计算，通过计算出时间差值来求取流体的速度和流量。

当发射器和接收器发生相对运动时，接收器感知的声波频率会发生变化，这个频率的变化称为多普勒频移。

在流体垂直方向发射超声波，如果流体静止，则接收器的信号强度与发射信号强度没有偏差，若流体流动，则超声波束会发生偏移，波束偏移法就是通过测量偏移量的大小来测量流体流速的。

超声波在流体中传播时载有流速信息，同时管道内也伴有干扰信号，相关法就是通过对超声波信号和干扰信号进行相关运算，获得相关函数，再利用相关技术来求得流体流速。

科氏质量流量计以科氏力为基础，通过检测安装在振动管两侧传感器的输出信号的频率和相位差来测量流体的质量流量［2］。科氏质量流量计种类繁多、形状各异，但其测量原理是基本一致的。常见的科氏质量流量计有直管型、U型、S型等，均由一次仪表和二次仪表两部分组成。一次仪表主要是指测量管、激振器和传感器；二次仪表主要是指用于处理一次仪表输出信号的变送器。

2.国内外研究现状

随着科学技术的不断发展，科技工作者们不断改进现有方法或采用新的数字信号处理方法来处理流量计信号，以期望提高流量的测量精度，满足不同应用场合的测量需求。其中，科氏质量流量计的研究主要集中在信号处理技术和硬件系统设计方面；超声波流量计的研究除集中在信号处理技术和硬件系统设计外，还集中在超声换能器技术、单片机芯片设计等方面。归纳起来，超声波流量计和科氏质量流量计的信号处理方法主要有以下几种：

（1） DFT频谱分析法

文献［1］首先采用Zoom FFT法来提高流速分辨率，能在不增加采样点数情况下获得较高的频率分辨率，但运用多普勒法确定频差时需进行峰值搜索，于是又结合运用卡尔曼滤波器来实现对频率偏移量的准确估计。所提方法提高了流量的测量精度，但存在计算量较大的问题。

美国高准公司采用DFT频谱分析法来处理流量计信号［3］，为了减小测量误差，提高测量精度，针对非整周期采样情况下，提出首先粗测，然后细测的频率估计方法。在此基础上，文献［4］对该方法进行了改进，根据频率跟踪时间和频率变化情况，给出一个频率变化范围，在该范围内搜索，可提高频率估计精度，但该方法的实时性较差。

文献［5］采用线性调频Z变换法来提高频率分辨率，通过在粗测确定的频率范围内增加采样点数，然后利用线性调频Z变换法得到窄带频谱，其中最大频谱值的位置点就是所求的频率估计值。该方法提高了频率分辨力和频率估计精度，但频率估计的是一段时间的频率均值，也存在实时性较差的问题。

为了提高非整周期采样情况下的估计精度，文献［6］通过计算相邻两次DFT的差值来判定截断误差，进而修正和调整信号截取长度，使其满足整周期采样条件。该方法提高了频率的估计精度，但需多次进行DFT计算，存在计算量较大的问题。

为了提高相位差的估计精度，文献［6］采用了施加窗函数（汉宁窗）的办法。然而，该方法仍然无法克服频谱泄露的影响，针对非整周期采样的情况，改善的效果也极为有限。

（2） 相关分析法

文献［8］采用互相关法来处理流量计信号，该方法利用了有效信号和噪声信号相关性小，以及各噪声信号间互不相关的特点，增强了信号的抗噪性能，提高了流量计的相位差估计精度。相关分析法有着较好的噪声抑制能力，但对于相关性较强的干扰信号，当信噪比较低时，相位差的估计误差较大。另外，相关分析法也要求整周期采样，当信号长度非整周期时，相位差的估计精度也较差。为此，文献［9］在相关分析法的基础上进行了改进，试图采用插值法把非整周期长度修正和调整为整周期长度，以此来提高相位差的估计精度。

（3） Hilbert变换法

Hilbert变换法利用Hilbert变换的性质，首先对被测信号做Hilbert变换，使其得到一个具有90°相移的信号，然后将变换后的信号与被测信号进行运算，可得到关于相位角的函数，两路信号的相角函数相减即可得到相位差［10］。Hilbert变换具有瞬态特性，只产生相移特性的变化，变换前后信号的频率和幅值不会改变，利用Hilbert变换前后的相位信息，能完整地反映出整个过程相位的变化情况，从而可实现相位差的动态估计。

（4） 自适应陷波滤波法

文献［11］提出采用自适应陷波滤波的方法来处理流量计信号，同时设计了两种方案，期望能改善频率估计的精度和收敛速度，但存在计算量较大的问题。文献［12］采用高斯-牛顿算法来试图改善频率的估计精度，但初始参数值的选取易受噪声的影响。文献［13］采用计算量较小、结构更为简单的格型陷波器进行频率估计，提高了算法的收敛速度和短时估计精度，但长时跟踪精度较差。文献［2］提出采用由系统辨识方法而来的新式陷波器进行频率估计，该算法短时频率估计精度更高、去噪效果更好，但算法计算量较大。为了更好地兼顾频率估计精度和收敛速度，文献［14］率先提出运用反馈控制的思想，对陷波器的自适应算法进行了改进，取得了较好的效果。国内学者也借鉴该思想，对现有的各种陷波器的自适应算法进行了改进，大幅提升了原有陷波器的特性，有效地克服了困扰当前影响自适应陷波器应用的难题。

3.分析与展望

频谱分析法把信号从时域变换到频域处理，常选用FFT算法，通过将信号从时域变换到频域，求出其在最大谱线位置即为信号的频率估计值，同时也可求出该位置的相位，两路信号的相位相减即可求得相位差。由于信号截断产生的能量泄露，使得频率估计和相位估计的误差较大，为提高估计精度，常采用插值或加窗的方法来进行校正。然而，插值法会增加算法的计算量，加窗法会降低频谱的频率分辨率，使得校正后的精度改善极为有限。导致频谱泄露的根本原因是DFT计算窗的信号长度不是整周期长度。

相关分析法利用相关函数来描述两信号之间的相似度，通过计算两路同频信号的互相关函数求解相位差。相关分析法有着较好的噪声抑制能力，但当信噪比较低时，相位差估计误差也较大。除此之外，相关分析法受非整周期采样的影响较大，而现有方法并未真正克服非整周期采样的影响，进而导致相位差的估计结果出现了较大的误差。

Hilbert变换法可以实现动态相位差的估计，其不足之处在于：存在端点效应，相位差的估计精度受噪声和信号长度非整周期的影响较大。

自适应陷波器兼具滤波和频率估计功能，可以根据被测信号特点，自动调整参数，实现频率的估计和跟踪，是当前频率估计方法的研究热点。但自适应陷波器初始参数值的设定较为敏感，使得陷波器的普适性较差。

综合上述分析，本文认为流量计信号处理技术的发展方向主要集中在以下几个方面：

① 研究不受是否整周期影响、算法更为简单、频率和相位差估计精度更高的频谱分析法；

② 研究不受是否整周期影响、抗噪性能更好、相位差估计精度更高的Hilbert变换法；

③ 研究不受是否整周期影响、抗噪性能更好、算法更为简单、相位差估计精度更高的相关分析法；

④ 研究结构算法更为简单、普适性更好的自适应陷波频率估计方法；

4.结束语

随着科学技术的不断进步发展，对流量测量精度的要求也在不断提高。由于国内流量计的研究起步较晚，与国外现在的研究水平还存在着一定的差距，国内现有的流量计检测方法，不论是频率估计方法还是相位差估计方法，大都存在计算复杂、计算量较大、计算精度和抗噪性能较差等问题，已不能满足当前高精度流量测量的要求。为此，开展超声波流量计和科氏质量流量计测量精度的相关关键技术研究，进而提出更精确的流量检测方法是当前亟待解决的问题。同时，研究的频率和相位差估计方法也可应用于石油与天然气工程领域的其它方面，如无损检测、油料泵机组故障诊断等；除此之外，对雷达、电力、工业测量、故障监测与诊断等领域，也具有十分重要的理论意义和现实价值。

［1］贾惠芹，时文娟，冯旭东等.一种提高超声波多普勒流量计测量精度的方法［J］.仪表技术与传感器，2015，2：33～35.

［2］涂亚庆，苏奋华，沈廷鳌，等.自适应陷波器的科氏流量计信号频率跟踪方法［J］.重庆大学学报，2011，34（10）：147～152.

［3］于翠欣，徐科军，刘家军.基于DFT的科里奥利质量流量计信号处理方法的改进［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2000，23（6）：935～939，943.

［4］曾健，刘凤新，简灿琴等.用于科里奥利质量流量计的数字信号处理方法［J］.计量技术，2007，（3）：3～6.

［5］林坤，刘凤新，刘志刚.科里奥利质量流量计数字信号处理方法的研究［J］.计量技术，2008，（6）：11～14，30.

［6］杨俊，关可，梁佳.DFT变换法在科氏质量流量计相位差检测中的应用研究［J］.传感技术学报.2006，19（6）：2654～2657.

［7］徐科军，倪伟.一种科里奥利质量流量计的信号处理方法［J］.计量学报，2001，22（4）：254～258.

［8］许会，汪洋，高松巍.基于相关法的超声波流量测量的发射设计［J］.现代电子技术，2013，36（7）：108～110.

［9］刘园珍.相关法超声流量计的研究［D］.东华理工大学硕士学位论文，2012.

［10］肖树妹，梅海平，钱仙妹等.基于希尔伯特变换的湍流随机相位差解调算法研究［J］.光学学报，2011，31（7）：34～38.

［11］倪伟，徐科军.一种改进的基于时变信号模型的科里奥利质量流量计信号处理方法［C］.第五届全球智能控制与自动化大会，杭州，2004：3787～3790.

［12］倪伟.科里奥利质量流量计数字信号处理方法的研究［D］.合肥工业大学博士学位论文，2004.

［13］徐科军，倪伟，陈智渊.基于时变信号模型和格型陷波器的科氏流量计信号处理方法［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）：596～601.

［14］杨辉跃，涂亚庆，张海涛，李明.振动信号频率跟踪的反馈修正自适应陷波器法［J］.振动与冲击，2014，33（3）：145～149.

（作者单位：后勤工程学院）