文/裴新涌

流量計(jì)量?jī)x表的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

文/裴新涌

本文簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前發(fā)展最具代表性的兩種流量計(jì)的測(cè)量原理，即超聲波流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)，并綜述了兩種流量計(jì)量中信號(hào)處理方法的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)處理方法的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

流量計(jì)量；超聲波流量計(jì)；科氏質(zhì)量流量計(jì)；信號(hào)處理方法

流量計(jì)量是工業(yè)制造和國防建設(shè)中不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)，流量計(jì)量的可靠性、安全性、準(zhǔn)確性，與我國的國防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)研究均有著十分密切的關(guān)系。在注重保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的今天，越來越多的人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了流量計(jì)量的重要性。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步和工業(yè)化程度的不斷提高，對(duì)流量計(jì)量的要求也越來越高，廣泛的測(cè)量參數(shù)和復(fù)雜的工作環(huán)境也要求科技工作者們不斷的改進(jìn)現(xiàn)有流量計(jì)的技術(shù)性能或設(shè)計(jì)出新型的流量計(jì)，因此，流量計(jì)的研究和開發(fā)也受到了更為廣泛的關(guān)注。

1.流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)通過檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖的作用來測(cè)量流量，由超聲波換能器、電子線路和顯示系統(tǒng)等三部分組成［1］。常用的超聲波流量計(jì)檢測(cè)方法可籠統(tǒng)地劃分為頻域方法和時(shí)域方法，主要有：時(shí)差法、頻差法、相位差法、波束偏移法、多普勒法和相關(guān)法等。

時(shí)差法、頻差法和相位差法可統(tǒng)稱為傳播速度差法，主要是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播時(shí)間的不同來進(jìn)行的計(jì)算，通過計(jì)算出時(shí)間差值來求取流體的速度和流量。

當(dāng)發(fā)射器和接收器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器感知的聲波頻率會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)頻率的變化稱為多普勒頻移。

在流體垂直方向發(fā)射超聲波，如果流體靜止，則接收器的信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度沒有偏差，若流體流動(dòng)，則超聲波束會(huì)發(fā)生偏移，波束偏移法就是通過測(cè)量偏移量的大小來測(cè)量流體流速的。

超聲波在流體中傳播時(shí)載有流速信息，同時(shí)管道內(nèi)也伴有干擾信號(hào)，相關(guān)法就是通過對(duì)超聲波信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得相關(guān)函數(shù)，再利用相關(guān)技術(shù)來求得流體流速。

科氏質(zhì)量流量計(jì)以科氏力為基礎(chǔ)，通過檢測(cè)安裝在振動(dòng)管兩側(cè)傳感器的輸出信號(hào)的頻率和相位差來測(cè)量流體的質(zhì)量流量［2］。科氏質(zhì)量流量計(jì)種類繁多、形狀各異，但其測(cè)量原理是基本一致的。常見的科氏質(zhì)量流量計(jì)有直管型、U型、S型等，均由一次儀表和二次儀表兩部分組成。一次儀表主要是指測(cè)量管、激振器和傳感器；二次儀表主要是指用于處理一次儀表輸出信號(hào)的變送器。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科技工作者們不斷改進(jìn)現(xiàn)有方法或采用新的數(shù)字信號(hào)處理方法來處理流量計(jì)信號(hào)，以期望提高流量的測(cè)量精度，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)量需求。其中，科氏質(zhì)量流量計(jì)的研究主要集中在信號(hào)處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面；超聲波流量計(jì)的研究除集中在信號(hào)處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還集中在超聲換能器技術(shù)、單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)等方面。歸納起來，超聲波流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)的信號(hào)處理方法主要有以下幾種：

（1） DFT頻譜分析法

文獻(xiàn)［1］首先采用Zoom FFT法來提高流速分辨率，能在不增加采樣點(diǎn)數(shù)情況下獲得較高的頻率分辨率，但運(yùn)用多普勒法確定頻差時(shí)需進(jìn)行峰值搜索，于是又結(jié)合運(yùn)用卡爾曼濾波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率偏移量的準(zhǔn)確估計(jì)。所提方法提高了流量的測(cè)量精度，但存在計(jì)算量較大的問題。

美國高準(zhǔn)公司采用DFT頻譜分析法來處理流量計(jì)信號(hào)［3］，為了減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度，針對(duì)非整周期采樣情況下，提出首先粗測(cè)，然后細(xì)測(cè)的頻率估計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［4］對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)頻率跟蹤時(shí)間和頻率變化情況，給出一個(gè)頻率變化范圍，在該范圍內(nèi)搜索，可提高頻率估計(jì)精度，但該方法的實(shí)時(shí)性較差。

文獻(xiàn)［5］采用線性調(diào)頻Z變換法來提高頻率分辨率，通過在粗測(cè)確定的頻率范圍內(nèi)增加采樣點(diǎn)數(shù)，然后利用線性調(diào)頻Z變換法得到窄帶頻譜，其中最大頻譜值的位置點(diǎn)就是所求的頻率估計(jì)值。該方法提高了頻率分辨力和頻率估計(jì)精度，但頻率估計(jì)的是一段時(shí)間的頻率均值，也存在實(shí)時(shí)性較差的問題。

為了提高非整周期采樣情況下的估計(jì)精度，文獻(xiàn)［6］通過計(jì)算相鄰兩次DFT的差值來判定截?cái)嗾`差，進(jìn)而修正和調(diào)整信號(hào)截取長(zhǎng)度，使其滿足整周期采樣條件。該方法提高了頻率的估計(jì)精度，但需多次進(jìn)行DFT計(jì)算，存在計(jì)算量較大的問題。

為了提高相位差的估計(jì)精度，文獻(xiàn)［6］采用了施加窗函數(shù)（漢寧窗）的辦法。然而，該方法仍然無法克服頻譜泄露的影響，針對(duì)非整周期采樣的情況，改善的效果也極為有限。

（2） 相關(guān)分析法

文獻(xiàn)［8］采用互相關(guān)法來處理流量計(jì)信號(hào)，該方法利用了有效信號(hào)和噪聲信號(hào)相關(guān)性小，以及各噪聲信號(hào)間互不相關(guān)的特點(diǎn)，增強(qiáng)了信號(hào)的抗噪性能，提高了流量計(jì)的相位差估計(jì)精度。相關(guān)分析法有著較好的噪聲抑制能力，但對(duì)于相關(guān)性較強(qiáng)的干擾信號(hào)，當(dāng)信噪比較低時(shí)，相位差的估計(jì)誤差較大。另外，相關(guān)分析法也要求整周期采樣，當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)度非整周期時(shí)，相位差的估計(jì)精度也較差。為此，文獻(xiàn)［9］在相關(guān)分析法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，試圖采用插值法把非整周期長(zhǎng)度修正和調(diào)整為整周期長(zhǎng)度，以此來提高相位差的估計(jì)精度。

（3） Hilbert變換法

Hilbert變換法利用Hilbert變換的性質(zhì)，首先對(duì)被測(cè)信號(hào)做Hilbert變換，使其得到一個(gè)具有90°相移的信號(hào)，然后將變換后的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，可得到關(guān)于相位角的函數(shù)，兩路信號(hào)的相角函數(shù)相減即可得到相位差［10］。Hilbert變換具有瞬態(tài)特性，只產(chǎn)生相移特性的變化，變換前后信號(hào)的頻率和幅值不會(huì)改變，利用Hilbert變換前后的相位信息，能完整地反映出整個(gè)過程相位的變化情況，從而可實(shí)現(xiàn)相位差的動(dòng)態(tài)估計(jì)。

（4） 自適應(yīng)陷波濾波法

文獻(xiàn)［11］提出采用自適應(yīng)陷波濾波的方法來處理流量計(jì)信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種方案，期望能改善頻率估計(jì)的精度和收斂速度，但存在計(jì)算量較大的問題。文獻(xiàn)［12］采用高斯-牛頓算法來試圖改善頻率的估計(jì)精度，但初始參數(shù)值的選取易受噪聲的影響。文獻(xiàn)［13］采用計(jì)算量較小、結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的格型陷波器進(jìn)行頻率估計(jì)，提高了算法的收斂速度和短時(shí)估計(jì)精度，但長(zhǎng)時(shí)跟蹤精度較差。文獻(xiàn)［2］提出采用由系統(tǒng)辨識(shí)方法而來的新式陷波器進(jìn)行頻率估計(jì)，該算法短時(shí)頻率估計(jì)精度更高、去噪效果更好，但算法計(jì)算量較大。為了更好地兼顧頻率估計(jì)精度和收斂速度，文獻(xiàn)［14］率先提出運(yùn)用反饋控制的思想，對(duì)陷波器的自適應(yīng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的效果。國內(nèi)學(xué)者也借鑒該思想，對(duì)現(xiàn)有的各種陷波器的自適應(yīng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，大幅提升了原有陷波器的特性，有效地克服了困擾當(dāng)前影響自適應(yīng)陷波器應(yīng)用的難題。

3.分析與展望

頻譜分析法把信號(hào)從時(shí)域變換到頻域處理，常選用FFT算法，通過將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，求出其在最大譜線位置即為信號(hào)的頻率估計(jì)值，同時(shí)也可求出該位置的相位，兩路信號(hào)的相位相減即可求得相位差。由于信號(hào)截?cái)喈a(chǎn)生的能量泄露，使得頻率估計(jì)和相位估計(jì)的誤差較大，為提高估計(jì)精度，常采用插值或加窗的方法來進(jìn)行校正。然而，插值法會(huì)增加算法的計(jì)算量，加窗法會(huì)降低頻譜的頻率分辨率，使得校正后的精度改善極為有限。導(dǎo)致頻譜泄露的根本原因是DFT計(jì)算窗的信號(hào)長(zhǎng)度不是整周期長(zhǎng)度。

相關(guān)分析法利用相關(guān)函數(shù)來描述兩信號(hào)之間的相似度，通過計(jì)算兩路同頻信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)求解相位差。相關(guān)分析法有著較好的噪聲抑制能力，但當(dāng)信噪比較低時(shí)，相位差估計(jì)誤差也較大。除此之外，相關(guān)分析法受非整周期采樣的影響較大，而現(xiàn)有方法并未真正克服非整周期采樣的影響，進(jìn)而導(dǎo)致相位差的估計(jì)結(jié)果出現(xiàn)了較大的誤差。

Hilbert變換法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相位差的估計(jì)，其不足之處在于：存在端點(diǎn)效應(yīng)，相位差的估計(jì)精度受噪聲和信號(hào)長(zhǎng)度非整周期的影響較大。

自適應(yīng)陷波器兼具濾波和頻率估計(jì)功能，可以根據(jù)被測(cè)信號(hào)特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的估計(jì)和跟蹤，是當(dāng)前頻率估計(jì)方法的研究熱點(diǎn)。但自適應(yīng)陷波器初始參數(shù)值的設(shè)定較為敏感，使得陷波器的普適性較差。

綜合上述分析，本文認(rèn)為流量計(jì)信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展方向主要集中在以下幾個(gè)方面：

① 研究不受是否整周期影響、算法更為簡(jiǎn)單、頻率和相位差估計(jì)精度更高的頻譜分析法；

② 研究不受是否整周期影響、抗噪性能更好、相位差估計(jì)精度更高的Hilbert變換法；

③ 研究不受是否整周期影響、抗噪性能更好、算法更為簡(jiǎn)單、相位差估計(jì)精度更高的相關(guān)分析法；

④ 研究結(jié)構(gòu)算法更為簡(jiǎn)單、普適性更好的自適應(yīng)陷波頻率估計(jì)方法；

4.結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，對(duì)流量測(cè)量精度的要求也在不斷提高。由于國內(nèi)流量計(jì)的研究起步較晚，與國外現(xiàn)在的研究水平還存在著一定的差距，國內(nèi)現(xiàn)有的流量計(jì)檢測(cè)方法，不論是頻率估計(jì)方法還是相位差估計(jì)方法，大都存在計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量較大、計(jì)算精度和抗噪性能較差等問題，已不能滿足當(dāng)前高精度流量測(cè)量的要求。為此，開展超聲波流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量精度的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)而提出更精確的流量檢測(cè)方法是當(dāng)前亟待解決的問題。同時(shí)，研究的頻率和相位差估計(jì)方法也可應(yīng)用于石油與天然氣工程領(lǐng)域的其它方面，如無損檢測(cè)、油料泵機(jī)組故障診斷等；除此之外，對(duì)雷達(dá)、電力、工業(yè)測(cè)量、故障監(jiān)測(cè)與診斷等領(lǐng)域，也具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

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（作者單位：后勤工程學(xué)院）