矿用超声波气体流量计参考波形自动跟踪方法

柏思忠

（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 400039）

0 引言

超声波气体流量计具有准确度高、重复性好、测量范围宽、无活动部件、本体无压损等优点，被广泛应用于工业领域流量测量中，在煤炭行业，可用于测量瓦斯抽采管网中钻孔、汇流管、支管、干管、总管等的气体流量，能够有效解决瓦斯抽采小流量无法测量、抽采管路中压损过大和流量测量精度要求高等难题。

超声波气体流量计测量方法主要包括传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法等，其中传播速度差法是常用的一种测量方法。传播速度差法可分为时差法、相位差法及频差法，其中时差法应用尤为广泛，该方法要求准确测量超声波在管道内上下游传播的渡越时间。常用的渡越时间测量方法有互相关法、阈值法等。互相关法通过检测波形整体的相似度实现渡越时间测量，相比阈值法，可在一定程度上避免波形畸变和信噪比降低对测量结果的影响。但是，互相关法通过检测实时信号波形和参考波形的相似度来确定接收信号到达时间，而实时信号波形变化和参考波形选择都会影响测量准确性。一方面，超声波实时信号波形幅度和包络受机械、电子和物理3 个方面因素影响[1]：机械因素包括安装管道的内径尺寸、声程距离、管壁粗糙度、布局方式[2]及安装角度[3]；电子因素包括超声波换能器结构[4]、信号处理电路、采样电路、计时电路等；物理因素包括流体性质[5]、温度[6]、压力[7]、噪声[8-9]等。另一方面，传统参考波形选择多以零速平均波形[10]、单一包络静态参考波形[11-12]、顺流和逆流分开的静态参考波形[13]、主次包络相结合的静态参考波形[14]为主，参考波形确定后，不随工况参数变化而改变，互相关检测信号可能出现差错1 个周期的“跳波”现象：信号抖动，引发“跳波”[15]；主峰幅度差异小，引起错周期[16]；最大值在相邻峰值漂移，造成周期偏差[17]；接收信号最大峰值不固定，造成误差大[18]；相关峰值振荡误差大[19]等。

针对上述问题，本文提出一种矿用超声波气体流量计参考波形自动跟踪方法。计算接收信号波形与当前参考波形的互相关系数及超声波渡越时间，在此基础上，计算互相关检测的可信度，通过阈值判定接收信号是否有效，是否用当前接收信号波形替换原参考波形。参考波形根据实际情况自动跟踪接收信号波形，完成信号量变过程中的动态跟随，防止接收信号波形因长期微小变化而产生质变，避免互相关检测信号出现“跳波”现象，从而保证流量测量的准确性和可靠性。

1 超声波参考波形自动跟踪方法

在超声波换能器能量转换和超声波信号传输过程中，由于存在机械弹性，接收到的超声波脉冲串的头部和尾部会产生振幅衰减，从起振开始到最后停止至少需要十多个周期，信号包络呈现“纺锤体”形状。提取每个振荡周期的最大值和最小值，得到所有超声波信号的极值，如图1 所示。

图1 超声波信号极值Fig.1 Extremum of ultrasonic signal

超声波参考波形自动跟踪步骤：

（1）计算参考波形的所有极值，构建参考波形极值序列。计算参考波形的最大峰值PV和参考峰值时刻TV，以PV为中心向前后各提取m个极值点，用得到的2m+1 个点构建参考波形极值序列XV。

（2）计算实时接收信号波形的所有极值，构建实时接收信号波形极值序列。计算实时接收信号的最大峰值PS和 接收峰值时刻TS，以PS为中心向前后各提取n（n≥m）个极值点，用得到的2n+1 个点构建接收信号波形极值序列XS。

（3）计算互相关系数和超声波渡越时间。对参考波形极值序列XV和 接收信号波形极值序列XS进行互相关运算：

式中：τ为互相关系数；ΔN为对应采样点坐标变化量，0～2（n-m）。

超声波渡越时间为

式中：Δtmax为 互相关时间；ΔNmax为互相关点坐标变化量最大值；fS为A/D 采样频率。

（4）计算互相关检测的可信度，完成参考波形自动跟踪。可信度为

式中 τmax为互相关系数最大值。

设可信度有效阈值为 ρth（可取0.6～0.8，本文取0.6），参考波形更新阈值为 ρtv（可取0.8～0.95，本文取0.8），根据以下规则设定参考波形：当 ρ＜ρth时，判定接收信号无效，重新发送超声波信号；当ρth≤ρ＜ρtv时，判定接收信号有效，用当前接收信号波形替换原参考波形；当 ρ≥ρtv时，判定接收信号有效，继续使用原参考波形。

2 超声波接收信号形变分析

超声波接收信号波形变化可归纳为包络连续形变和包络瞬间畸变2 种情况，这2 种情况均可能造成超声波渡越时间差错1 个波形周期。

2.1 包络连续形变

在超声波信号传输过程中，受气体流速、温度、压力等因素影响，超声波接收信号包络会发生连续形变。用超声波气体流量计在DN50（公称直径为50 mm）管道上进行试验，超声波换能器中心频率为200 kHz，A/D 采样速率为50×106次/s，接收信号波形包含23 个极值点。为方便展示试验效果，将接收端自动增益控制电路改为固定增益电路，分别改变管道内气体流速、温度和压力，分析其对接收信号包络的影响。

（1）流速对接收信号包络的影响。将超声波气体流量计连接到流量标准装置上，改变管道内气体流速，得到接收信号包络分布，如图2 所示。气体流速在0～27.6 m/s 变化时，随着管道内气体流速增大，超声波束偏移量增大，接收信号波形幅值减小，包络形状连续变化。

图2 不同流速下超声波接收信号包络分布Fig.2 Envelope distribution of ultrasonic signals at different velocity

（2）温度对接收信号包络的影响。将超声波气体流量计放置到高低温试验箱中，改变箱体内温度，得到接收信号包络分布，如图3 所示。温度在-20～60 ℃变化时，随着温度升高，接收信号脉冲个数减少，包络上升阶段斜率增大，下降阶段斜率减小，相邻点间隔变大，包络形状连续变化。

图3 不同温度下超声波接收信号包络分布Fig.3 Envelope distribution of ultrasonic signals at different temperature

（3）压力对接收信号包络的影响。将超声波气体流量计放置到密封箱中，通过加气和抽气改变箱体内压力，得到接收信号包络分布，如图4 所示。压力在150～40 kPa 变化时，随着压力降低，接收信号波形幅值减小，相邻点间隔不变，相邻点幅值等比例变化，包络分布相似，包络形状连续变化。

图4 不同压力下超声波接收信号包络分布Fig.4 Envelope distribution of ultrasonic signals at different pressure

试验时，采用参考波形自动跟踪方法，当可信度下降到0.8 以下时，用实时接收信号波形不断替换参考波形，保证可信度不低于0.6，从而控制整个波形的变化，有效避免互相关检测信号出现“跳波”现象。

2.2 包络瞬间畸变

超声波信号传输过程中受噪声影响，尖峰脉冲、随机信号和周期干扰等可能导致超声波接收信号包络发生瞬间畸变。噪声主要类型：①电噪声。主要指由环境及电路中电磁信号引起的干扰，这类噪声一般在元器件工作时才出现，是非随机产生的，如外供电源中的高次谐波噪声、电路板布线引出的高频晶体振荡器带来的噪声。② 工艺设备产生的噪声。主要包括调压装置、节流件、汇管等产生的噪声，其中节流件产生的节流噪声最常见。③因安装不规范产生的噪声。如因前后直管段配管不合理、探头突出、管道内有突出物等产生的噪声。④ 工作环境噪声。

包络瞬间畸变可分为3 种情况：①主峰严重畸变。噪声严重影响包络中主峰及附近峰值，如图5（a）所示。② 主峰微小畸变。噪声轻微影响包络中主峰及附近峰值，如图5（b）所示。③非主峰畸变。噪声导致包络中非主峰发生畸变，如图5（c）所示。若畸变造成可信度低于有效阈值，则判定接收信号无效，直接舍弃该信号；若可信度不低于更新阈值，则可正常接收信号，畸变对信号传输无影响；若可信度低于0.8 且不低于0.6，则判定接收信号有效，但要用接收信号波形替换参考波形。对于上述3 种情况，采用参考波形自动跟踪方法均可有效避免噪声对接收信号判定的影响。

图5 噪声影响下超声波接收信号包络Fig.5 Envelope of ultrasonic signals at different noise

3 试验验证

3.1 流速影响试验

采用音速喷嘴气体流量标准装置对超声波气体流量计（公称直径为200 mm）进行试验，如图6 所示。该装置的不确定度为0.3 级，测量范围为0.5～4 000 m3/h；环境温度为20 ℃，管道压力为98.4 kPa，外接数据采集卡和计算机。

图6 流量标准装置Fig.6 Flow calibration device

对超声波气体流量计进行零流速标定，将接收信号波形作为初始参考波形。在其余标定条件或工况条件下，采用参考波形自动跟踪方法判断是用当前接收信号波形替换原参考波形，还是继续使用原参考波形。完成流量计标定后，在零流速、低流速、中流速和高流速等不同流速区域进行试验，试验数据见表1。可看出，流量测量相对误差不超过±1.0%，满足精度1.0 级测量要求，可信度随着流量增大、流速加快而降低，在可信度低于更新阈值时替换过参考波形，但整个过程可信度始终大于有效阈值，结果有效。根据可信度大小判断是否替换参考波形，通过不断替换实现参考波形自动跟踪，从而保证测量的准确性和可靠性。

表1 不同流速下流量计试验数据Table 1 Experimental data of flowmeter at different velocity

3.2 噪声影响试验

通过人为增加噪声影响，在流量标准装置上测试超声波气体流量计性能。共设置7 种噪声：①在DC24 V 流量计供电电源中加峰峰值为500 mV 的交流噪声。②在进气端距离弯管300 mm 处安装超声波气体流量计，使流量计前端直管段长度小于7 倍管径，导致流场不稳定，引入噪声。③在出气端距离弯管300 mm 处安装超声波气体流量计，使流量计后端直管段长度小于3 倍管径，导致流场不稳定，引入噪声。④在进气端距离旁路阀门300 mm 处安装超声波气体流量计，通过管道旁路阀门开关引入噪声。⑤在进气端距离管道插件（威力巴节流件）300 mm处安装超声波气体流量计，活动管道插件引起流场变化，引入噪声。⑥超声波气体流量计工作时，启动/停止管道旁5 m 内的变频器，引入环境噪声。⑦超声波气体流量计工作时，使用对讲机通话10 s 以上，引入电磁干扰噪声。

不同噪声影响下流量计试验数据见表2。在无噪声、有噪声①和噪声②的情况下，可信度一直保持在更新阈值以上，参考波形没有替换过，流量测量相对误差不超过±1.0%；在有噪声③-噪声⑥的情况下，可信度最小值小于更新阈值但大于有效阈值，参考波形均替换过，流量测量相对误差不超过±1.0%；在有噪声⑦的情况下，可信度最小值小于有效阈值，参考波形失效过，但通过失效过滤保证了流量测量相对误差不超过±1.0%。

表2 不同噪声影响下流量计试验数据Table 2 Experimental data of flowmeter at different noise

3.3 温度影响试验

将超声波气体流量计放置到高低温试验箱中，在零流量条件下-20～60 ℃温度范围内进行试验，试验数据见表3。可看出，随着温度升高，可信度最小值逐渐减小，温度在30 ℃及以上时可信度最小值小于更新阈值，发生过参考波形替换，使可信度始终大于有效阈值，保证了实测数据的有效性。

表3 不同温度下流量计试验数据Table 3 Experimental data of flowmeter at different temperature

3.4 压力影响试验

将超声波气体流量计放置到密闭高低温试验箱中，利用EV1508 空压机改变试验箱中空气压力，在零流量条件下40～150 kPa 压力范围内进行试验，试验数据见表4。可看出，压力越大，可信度越高，在40～60 kPa 压力范围内可信度最小值小于更新阈值，发生过参考波形替换，使可信度始终大于有效阈值，保证了实测数据的有效性。

表4 不同压力下流量计试验数据Table 4 Experimental data of flowmeter at different pressure

4 结论

（1）提出了一种矿用超声波气体流量计参考波形自动跟踪方法，计算超声波参考波形和实时接收信号波形的互相关系数及互相关检测的可信度，设置可信度有效阈值为0.6，参考波形更新阈值为0.8，通过阈值判定接收信号是否有效，是否用当前接收信号波形替换原参考波形。

（2）分析了气体流速、温度、压力、噪声对超声波接收信号波形的影响：气体流速、温度、压力变化都会导致接收信号包络发生连续性变化；尖峰脉冲、随机信号和周期干扰等可能导致超声波接收信号包络发生瞬间畸变。

（3）试验结果表明，在不同流速、温度、压力、噪声影响下，超声波气体流量计的相对误差不超过±1.0%，满足精度1.0 级测量要求，参考波形自动跟踪方法为流量测量的准确性和可靠性提供了保障。