基于自适应阈值的超声波气体流量计设计

马勤勇

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039)

0 引言

超声波流量计具有测量精度高、测量范围宽、无压力损失等优点,可用于液体、气体的流量测量[1-2]。近年来,超声波气体流量计发展迅速,在天然气计量中得到了广泛的应用[3-4]。

超声波气体流量计的精度主要取决于渡越时间的测量精度。然而对于不同于超声波液体流量计而言,由于超声波在气体介质中传播衰减大,且易受气载噪声的干扰,使超声波接收信噪比低,渡越时间的测量变得复杂。常用的渡越时间检测方法主要有互相关法、阈值法、多普勒法等。由于多普勒法依赖反射介质,主要应用于液体流量测量,因此互相关法和阈值法是超声波气体流量计中应用更广泛的技术。

互相关法根据参考信号和被测信号的整体相似性来确定间隔时间。高岩峰等阐述了互相关法在低压气体测量中有较好的应用[5]。王铭学等提出了通过回波法获得参考波形,并根据第二次反射的回波与直接接收波形进行相关运算,在流量试验中取得了较好的测量结果[6]。然而,该方法多次反射后的回波幅值很弱,在大口径管道中几乎全被噪声淹没,难以正常测量。周洪亮等提出了平均参考波形法,通过对顺逆流两组接收波形进行平均获得参考波形。试验验证了该方法的精度[7]。但是,该参考波形是在静态无风环境中获得的,环境温度、压力、介质密度等因素的变化都可引起接收波形的局部形状发生缓变,因此该参考波形需要经常更新,在实际应用中难以实施。

阈值法的测量原理是将超声波接收信号与阈值电平进行比较,当接收信号幅度达到阈值时,认为超声波回波信号已经到达。阈值法分为固定阈值法、双阈值法、比例阈值法等。固定阈值法依赖于接收信号的高信噪比,但超声波在气体介质中衰减严重、信噪比低,导致采用固定阈值法易出现“跳周”现象,测量误差大。双阈值法采用第一阈值识别噪声信号、第二阈值检测超声渡越时间,可以避免噪声的尖峰干扰影响测量精度[8]。但实际应用中,双阀值法很难保证两个阈值工作的协调性。穆立彬等提出了可变阈值方法[9]。该方法通过判断接收波形局部峰值差异最大的区间,在此设置比例阈值完成渡越时间的测量。该方法中阈值的确定缺乏鲁棒性,流量计长期工作的稳定性难以保障。

为了提高渡越时间检测的准确性和稳定性,设计了多级滤波放大电路,用于提高超声波接收信号的信噪比和稳定接收幅值;同时,提出基于自适应阈值的渡越时间检测方法并将其用于流量检测,在音速喷嘴气体流量标准装置上进行了实流标定试验。

1 测量原理

超声波换能器是超声波气体流量计的重要组成部分。两个收发一体的超声波换能器安装于表体内,在几毫秒内交替发送和接收超声波信号,通过检测顺流和逆流过程的超声波渡越时间可以计算得到管道内气体的流速及流量[10]。超声波气体流量计测量原理如图1 所示。

图1 超声波气体流量计测量原理示意图Fig.1 Measurement principle of ultrasonic gas flowmeter

在已知表体结构参数的前提下,根据速度矢量合成原理,可以得到顺流和逆流的超声波渡越时间:

式中:td为顺流渡越时间;tu为逆流渡越时间;L为声道长度;c为超声波声速;v为气体流速;θ为声道角。

如果测量得到td和tu,则管道中的气体流速为:

2 接收信号处理

适用于超声波气体流量计的换能器的工作频率在40～200 kHz 之间。该频段内声学噪声干扰较明显。由于声阻抗不匹配,超声波在气体介质中传播时吸收衰减和扩散衰减严重,如果不采取相应的措施,超声波接收信号的幅值仅有几毫伏,且极不稳定。本研究选用的超声波换能器工作频率为200 kHz,采用多级滤波放大电路,实现超声波接收信号增益调节及干扰滤除;在此基础上,采用自适应阈值实现了超声波渡越时间的精确测量。

2.1 滤波及放大电路

第一级采用低通滤波电路。其电路增益为20 dB,截止频率为295 kHz。低通滤波电路如图2所示。

图2 低通滤波电路Fig.2 Low-pass filter circuit

第二级采用二阶带通滤波放大电路,其通带中心频率为200 kHz,带宽为30 kHz,增益为26 dB。带通滤波电路如图3 所示。

图3 带通滤波电路Fig.3 Band-pass filter circuit

第三级采用自动增益控制电路,主要由压控增益放大器(AD603) 配合数模转换器(digital-analog converter,DAC) 和现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)处理器实现。AD603具有-10～+30 dB 的调节范围,增益调节精度为±0.5 dB。FPGA 处理器通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)总线调整DAC 电压输出,与1.24 V 参考电压的差值作为AD603 的增益控制信号,从而实现对前级信号进行放大和衰减。自动增益控制电路如图4 所示。

图4 自动增益控制电路Fig.4 Automatic gain control circuit

2.2 渡越时间检测

阈值法原理如图5 所示。

图5 阈值法原理示意图Fig.5 Schematic diagram of threshold method

多级滤波放大电路初步实现了超声波接收信号幅值的稳定,但在流量较大或出现湍流的情况下,尽管超声波接收信号的峰峰值被调整到固定范围,其局部幅值仍会出现抖动现象,且采用固定阈值法会导致渡越时间测量结果出现“跳周”现象,从而引起较大流速误差。为了提高阈值法的抗干扰性能,采用自适应阈值法进行渡越时间检测,处理步骤如下。

①对经过高速AD 采样的离散超声波信号进行最大峰值(P7)搜索,记录最大值和对应的时间。②搜索最大峰值之前的6 个局部峰值(P1～P6),记录这6 个局部峰值的幅度和对应的时间。③将这6 个局部峰值逐个与预设阈值K进行比较(预设阈值在第3 个和第4 个局部峰值之间,且比P3幅值大100 mV)。当某个局部峰值小于阈值并且其后一个局部峰值大于阈值时,认为找到了特征时间。最后搜索特征时间之前的第一次过零时间,将该过零时间减去固定延时即可得到超声波渡越时间。

为了提高阈值法检测抗干扰性能,局部峰值P3的有效性需严格判断及取舍。如果P3幅值波动大于50 mV,则认定该接收波形不适合阈值测量,将其舍弃并重新开始下一次信号接收采集与判别。反之,如果P3幅度波动不大于50 mV,则认为满足阈值测量要求。此时,记录P3的幅值大小,并将其与P3的前8 次历史数值进行滑动平均处理。其平均结果加上100 mV 的数值作为新的阈值,进行下一周期的超声波渡越时间检测,从而完成阈值动态调节与更新。自适应阈值软件流程如图6 所示。

图6 自适应阈值软件流程Fig.6 Flowchart of self-adaptive threshold sofware

整个渡越时间检测算法在高速FPGA 中实现。通过同样的方法,可计算得到顺流和逆流两个方向的超声波渡越时间,并根据式(3)完成管道内气体流量的实时计算。

3 试验验证

为了验证自适应阈值算法的准确性,采取了实流标定方式进行检验。本试验在重庆科技检测中心的音速喷嘴气体流量标准装置(不确定度为0.27%)上开展,以空气作为被测介质,测试对象为自主研发的DN100 单声道超声波气体流量计。该流量计由表体、两个超声波换能器和信号处理单元组成,声道角为45°,表体上游直管段长度大于10 倍管径,下游直管段长度大于5 倍管径,环境温度为24 ℃,大气压力为97.6 kPa。

首先,在零流量下校准超声波气体流量计的零点。然后,启动音速喷嘴气体流量标准装置,将音速喷嘴调整到给定的流量值,并在音速喷嘴流量和超声波流量计流量示值稳定时,记录两个仪表在相同时间段内的累计流量。最后,重复此过程三次,将累积流量转化为瞬时流量,计算出各流量点的平均流量、相对误差和重复性。流量标定误差分析如表1 所示。

表1 流量标定误差分析表Tab.1 Error analysis table of flow calibration

由表1 可以看出,采用自适应阈值法的超声波气体流量计在10～651 m3/h 流量范围内具有良好的测量精度,其测量误差小于1%,测量重复性小于0.2%,符合国家《超声流量计检定规程》JJG 1030—2007 中准确度等级1.0 级的测量指标要求。

4 结论

本文分析讨论了互相关算法和阈值法在超声波气体流量计中的特点。为了提高超声波渡越时间测量的稳定性与准确性,针对超声波信号的接收处理,设计了多级滤波放大电路和自动增益控制电路,用于提高超声波接收信号的信噪比;同时,采用自适应阈值法用于超声波渡越时间的检测,通过关键局部峰值的历史平均值递推得到新的阈值,可以避免幅值抖动引起渡越时间测量出现较大误差。在音速喷嘴气体流量标准装置上进行了实流标定试验。试验结果表明,该设计方案具有较高的测量精度和重复性。该研究方法可弥补互相关算法和常规阈值法用于超声波流量测量的不足,对提高超声波气体流量计的稳定性和准确性具有重要作用。