超声波气体流量计反馈回路的最优算法研究

刘 佩，万 勇

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

气体超声流量计是20 世纪90 年代被广泛采用的高精度、高稳定性的流量测量仪器，它是一种非常先进的流量计，能够提供准确的数据且能避免压差的影响，它的量程宽可以满足各种流量需求且能够抵抗各种环境因素的影响，已经被广泛地应用于化学和冶炼行业[1]。其准确的数据和可靠的性能正迅速地被得到认可并在相关企业推广应用。

超声气体流量计的声通道布局包括单向辐射、双向反馈、三向反馈或多向反馈，均能够满足实验要求，探头之间的超声波能被均匀传播到各个流动部位，从而精确捕捉到流体的流动特性。气体超声波流量计通过传播时间差法可以有效地检测流体在管道中的流量，其原理是通过激活超声波源产生超声波，换能器把这些超声波数据获取并进行处理形成反馈波，一般有直射通道和反射通道两种结构测量，通过对测量管段内的超声波换能器1 和换能器2 的交替发射和接收，可以比较它们沿不同流层的声波路径的传播时间差，推断出不同流层气体的平均速度分布情况，如图1 所示。将从超声气体流量计的自动控制及其相关研究入手，构建背景概述，再详细讨论其相关算法。

图1 直射与反射通道结构示意图Fig.1 Schematic diagram of direct channel and reflection channel structure

1 超声气体流量计自动控制相关研究

超声波流量计具有流场无扰动、无运动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点广泛应用于管道内气体和液体测量，但气体流量的检测精度较低，效果令人不太满意。为了提高超声波换能器的效率，国内外科研学者们进行了广泛探索，以期达到满足应用的需求，应运而生了诸如阶跃脉冲、方波、调制脉动、单双极性、频率幅值调制、“拖尾”、过零电平检测法、动态阈值检测法、包络线自相干涉检测法等多种检测手段。尽管已经尝试了如减少其因介质、温度等因素产生的延迟来提高准确性，但仍然存在一些挑战。比如如何有效地抑制外界的噪音和电磁辐射，以及如何更好地控制接收端的检测时间[2]。其主要挑战就是准确性，首先它必须能够应付气体的高频波动且能够快速准确地捕捉到气体的流动。其次它必须能够应付恶劣的工作条件且能够抵御外界的干扰。

已知用编码激励信号激励发射换能器时[3]，接收换能器接收到产生的超声信号，输出回波信号呈主轴形状。随着超声换能器的阻尼作用，回波信号在较长时间内会逐渐消失，为了正确地测量大多会选择自动增益控制电路。四通道超声流量计[4]的测量受多种通道的限制，包括传感器尺寸、参数设置等都会导致接收的数据发生改变。为了保证准确性必须采用自适应技术调节超声波发射和接收频率来消除超声波传播速度的时延性以实现超声流量计的准确测量。通过采用具备一致的发射波形、传输环境及多种传输方式的双向交叉算法抵消电路的时间延迟，避免因接收端的信号质量而导致准确性受到限制；还可以通过排斥噪声干扰、电磁辐射及与有用信号的不相关性来减少或消除对结果的影响；最后利用综合运用误差分析技术、实际施工技术及现场安装工艺降低接收端的错误率而提高测量可靠性，使它能够被普遍地应用于煤炭行业的瓦斯抽采、压风自救及注氮等系统中。

2 自动控制的最优反馈回路算法

2.1 超声波气体流量测量原理

当前超声波流量计的信号检测技术已经发展到包括传播速度差法、波束移位法、多普勒法、相关法、空间滤波法和噪声法等[5]，都能满足不同工业领域的气体计量需求，随着科研工作者的努力攻关，相差法、频差法等都得到了良好应用，其中传播速度差法[6]由于具有测量数据准确性强、对外界条件变化的干扰抵抗能力高而被广泛使用。基于直射通道和反射通道结构测量的基本讨论结果，本反馈回路算法拟采用时间差法来测量管道内气体瞬时流量，利用超声波在正向流动和反向流动情况下的运动时间差来测量气体流量，测量原理如图2 所示。

图2 超声波气体流量测量原理Fig.2 Ultrasonic gas flow measurement principle

根据图2 所示，将2 个换能器间的线性距离设为L，可计算出顺流方向传播时间t12和逆流方向的传播时间t21，得到式（1）和式（2）：

式中：X 表示换能器间的径向距离；c 表示声音在气体中的传播速率；V 表示气体在管道内的流动速率；L 表示声音传播的路径长度。

进一步计算出顺流方向传输时间t12小于等于逆流方向的传输时间t21，还可以求解出气体声音传播速率c 和空气的流动速率V，得到式（3）、式（4）和式（5）：

当气体在管道内流动时的传输时间的差异非常小，每个方向上的传输时间是毫秒级。因此准确测量渡越时间是非常重要的。

2.2 超声波气体流量测量的实现

超声波作为一种机械波其传播特性不太理想，在传播过程中容易产生信号畸变，为了提高测量信号的信噪比则需对其进行滤波，通过对切比雪夫滤波器[7]和椭圆滤波器[8]等相比较，巴特沃斯滤波器在通带内具有最大的平坦幅频特性[9]，且在时域内响应速度较快，通过去除高频和低频噪声使超声信号保持在合适的频率范围内，其二阶带通滤波器G（s）的传递函数定义为

式中：ζ 为滤波器阻抗系数；w0为带通滤波器的中心角频率。进一步推算出中心角频率：

式中：wh为带通滤波器的上截止角频率；w1为带通滤波器的下截止角频率。

通过引入基于峰间最大差分的滤波技术，有效抑制滤波器带来的相位延迟更准确地捕捉到回波信号特性，还能不用预先定义阈值，只要检查到峰间的最大差异就能快速地找到所要的特性。通过采用双重激励的方式可以观察两种激励下的回波信号随着时间推移而发生的变化，把两种激励的回波信号相加而获取叠加波形来构建出新的模拟方法。

集成电路的构造包括增益控制芯片VCA810、峰值采样、A/D 变换、单片机控制和压力调节。控制芯片是自动增益控制系统的关键，其性能决定了整个自动增益控制电路系统的成功与否。为了在回波信号中找到稳定的特征点则需要准确地在信号中找到固定的周期间隔，如果信号的波动不会超出两个核心负斜率零点，就可以在纵坐标方向上确定一个合适的阈值范围。通过精确的门限选择，在每一个采样周期内精确地定位信号中的正弦周期间隔获得更加精确的结果。利用阈值过零检测方法准确找到特征波后计算出所需的过零点，采集6 个过零点数据准确地算出信号的传输距离，有效抑制随机误差提升测量准确性。这6 个过零点所代表的时间数据依次作为一个总体参考，其顺序排列如下：

当发现n 点的幅度与n+1 点的幅度的极性相反时使用线性插值来计算信号的过零点时间，假设信号的采样周期Tc是一个固定的，则定义线性插值计算过零点所对应的时间为Ti，得出公式（9），就可以得到叠加波形的变化规律：

在设计中一个回波信号周期T 由100 个采样点组成，每个采样点都会被移位以获取更多信息。当2 个采样点被移动时则会产生一个周期性的叠加波形，这个叠加波形的周期与回波信号的周期一致，即100 个采样点的变化。根据叠加波形的变化规律趋势，如图3 所示，间歇激励法的成功关键在于找到2 次激励之间的最佳间隔才能够有效地捕捉到相邻峰值之间的较大差异。

图3 两种不同间隔激励回波信号数值和的波形Fig.3 Waveform of numerical summation of echo signals of two separate excitations at different intervals

2.3 自动控制的最优反馈回路算法

通过采用多个控制回路的联系实现对运动的有效监测。这些控制回路的计算首先是确定第n 个控制循环的位置值Lp（n），如公式10 所示。然后根据公式进行处理，式中使用的累加和积分符号是为了方便描述算法，其含义并不严格符合微积分或累加符号的数学定义，其中Fp（n）是第n 个控制周期的速度参考，通过对速度积分得到位移实现对位移参数的控制。

由于每个周期很短且位移较小，不可能一次完成系统给定的位移，因此须根据如运动速度和加减速时间作为闭环控制的输入给定值等参数计算。每个周期根据电流偏差值来控制电机转速以完成一定的位移量并消除偏差，就实现了自动控制的最优反馈算法。

3 试验结果与分析

超声波气体测量主要由MAX35104 芯片实现，芯片通过SPI 发送各种命令使芯片中的定时模式来测量气体流量。试验使用示波器对超声波收发模块性能进行了测试，仿真波形如图4 所示，上面的黄色信号是高速比较器的输出信号，下面的蓝色信号是超声波接收信号经过放大滤波后的信号，根据试验结果表明超声波气体流量计是采用了传播时间差测量原理设计的，可以根据不同气体特性调整校准程序，从而极大地提升了气体流量测量的精确度。

图4 高速比较信号波形仿真Fig.4 High-speed comparison of signal waveform simulation

将涡轮和超声波流量计同时安装在DN100 的测试管道中，超声波换能器工作频率选择为400 kHz，根据采样频率不小于信号频率的2 倍，选择10 倍于流动信号频率的采样频率为2 kHz，采用单音测量法进行测量实验。根据仿真实验数据结果得出流体流速分布的不对称性所引起的流速测量精度可达±1%，同时可以看出流量较小的时候测量的误差较大是因为在流量较小的时候渡越时间差的测量相对误差增大。实验室仿真数据结果如表1 所示。

表1 实验室仿真数据结果Tab.1 Results of simulation experiment

4 结语

通过引入先进的自动控制及相关优化技术，成功地解决了气体超声流量计的信号检测问题，使单通道气体超声流量计可以稳定可靠地运行且设计出新型超声波气体流量计，实现了系统的自动控制，采用闭环反馈控制并通过仿真验证，可以准确地比较信号波形的性能。通过将本算法应用于气体超声波气体流量计能够有效克服传统流量计的缺陷，提高超声波流量计的测量精度，减轻人工实测进行比对的劳动强度，为相关企业在气体检测计量工作提供强大的数据支持，并取得了良好的效果，受到了使用者及各级领导的一致认可，对气体超声波流量计的普及具有重要意义和积极作用。