劉 佩，萬(wàn) 勇

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

氣體超聲流量計(jì)是20 世紀(jì)90 年代被廣泛采用的高精度、高穩(wěn)定性的流量測(cè)量?jī)x器，它是一種非常先進(jìn)的流量計(jì)，能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)且能避免壓差的影響，它的量程寬可以滿足各種流量需求且能夠抵抗各種環(huán)境因素的影響，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)和冶煉行業(yè)[1]。其準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和可靠的性能正迅速地被得到認(rèn)可并在相關(guān)企業(yè)推廣應(yīng)用。

超聲氣體流量計(jì)的聲通道布局包括單向輻射、雙向反饋、三向反饋或多向反饋，均能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，探頭之間的超聲波能被均勻傳播到各個(gè)流動(dòng)部位，從而精確捕捉到流體的流動(dòng)特性。氣體超聲波流量計(jì)通過(guò)傳播時(shí)間差法可以有效地檢測(cè)流體在管道中的流量，其原理是通過(guò)激活超聲波源產(chǎn)生超聲波，換能器把這些超聲波數(shù)據(jù)獲取并進(jìn)行處理形成反饋波，一般有直射通道和反射通道兩種結(jié)構(gòu)測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量管段內(nèi)的超聲波換能器1 和換能器2 的交替發(fā)射和接收，可以比較它們沿不同流層的聲波路徑的傳播時(shí)間差，推斷出不同流層氣體的平均速度分布情況，如圖1 所示。將從超聲氣體流量計(jì)的自動(dòng)控制及其相關(guān)研究入手，構(gòu)建背景概述，再詳細(xì)討論其相關(guān)算法。

圖1 直射與反射通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct channel and reflection channel structure

1 超聲氣體流量計(jì)自動(dòng)控制相關(guān)研究

超聲波流量計(jì)具有流場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)壓力損失、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于管道內(nèi)氣體和液體測(cè)量，但氣體流量的檢測(cè)精度較低，效果令人不太滿意。為了提高超聲波換能器的效率，國(guó)內(nèi)外科研學(xué)者們進(jìn)行了廣泛探索，以期達(dá)到滿足應(yīng)用的需求，應(yīng)運(yùn)而生了諸如階躍脈沖、方波、調(diào)制脈動(dòng)、單雙極性、頻率幅值調(diào)制、“拖尾”、過(guò)零電平檢測(cè)法、動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)法、包絡(luò)線自相干涉檢測(cè)法等多種檢測(cè)手段。盡管已經(jīng)嘗試了如減少其因介質(zhì)、溫度等因素產(chǎn)生的延遲來(lái)提高準(zhǔn)確性，但仍然存在一些挑戰(zhàn)。比如如何有效地抑制外界的噪音和電磁輻射，以及如何更好地控制接收端的檢測(cè)時(shí)間[2]。其主要挑戰(zhàn)就是準(zhǔn)確性，首先它必須能夠應(yīng)付氣體的高頻波動(dòng)且能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到氣體的流動(dòng)。其次它必須能夠應(yīng)付惡劣的工作條件且能夠抵御外界的干擾。

已知用編碼激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器時(shí)[3]，接收換能器接收到產(chǎn)生的超聲信號(hào)，輸出回波信號(hào)呈主軸形狀。隨著超聲換能器的阻尼作用，回波信號(hào)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)逐漸消失，為了正確地測(cè)量大多會(huì)選擇自動(dòng)增益控制電路。四通道超聲流量計(jì)[4]的測(cè)量受多種通道的限制，包括傳感器尺寸、參數(shù)設(shè)置等都會(huì)導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)發(fā)生改變。為了保證準(zhǔn)確性必須采用自適應(yīng)技術(shù)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射和接收頻率來(lái)消除超聲波傳播速度的時(shí)延性以實(shí)現(xiàn)超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)采用具備一致的發(fā)射波形、傳輸環(huán)境及多種傳輸方式的雙向交叉算法抵消電路的時(shí)間延遲，避免因接收端的信號(hào)質(zhì)量而導(dǎo)致準(zhǔn)確性受到限制；還可以通過(guò)排斥噪聲干擾、電磁輻射及與有用信號(hào)的不相關(guān)性來(lái)減少或消除對(duì)結(jié)果的影響；最后利用綜合運(yùn)用誤差分析技術(shù)、實(shí)際施工技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝降低接收端的錯(cuò)誤率而提高測(cè)量可靠性，使它能夠被普遍地應(yīng)用于煤炭行業(yè)的瓦斯抽采、壓風(fēng)自救及注氮等系統(tǒng)中。

2 自動(dòng)控制的最優(yōu)反饋回路算法

2.1 超聲波氣體流量測(cè)量原理

當(dāng)前超聲波流量計(jì)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到包括傳播速度差法、波束移位法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法和噪聲法等[5]，都能滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的氣體計(jì)量需求，隨著科研工作者的努力攻關(guān)，相差法、頻差法等都得到了良好應(yīng)用，其中傳播速度差法[6]由于具有測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性強(qiáng)、對(duì)外界條件變化的干擾抵抗能力高而被廣泛使用?；谥鄙渫ǖ篮头瓷渫ǖ澜Y(jié)構(gòu)測(cè)量的基本討論結(jié)果，本反饋回路算法擬采用時(shí)間差法來(lái)測(cè)量管道內(nèi)氣體瞬時(shí)流量，利用超聲波在正向流動(dòng)和反向流動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間差來(lái)測(cè)量氣體流量，測(cè)量原理如圖2 所示。

圖2 超聲波氣體流量測(cè)量原理Fig.2 Ultrasonic gas flow measurement principle

根據(jù)圖2 所示，將2 個(gè)換能器間的線性距離設(shè)為L(zhǎng)，可計(jì)算出順流方向傳播時(shí)間t12和逆流方向的傳播時(shí)間t21，得到式（1）和式（2）：

式中：X 表示換能器間的徑向距離；c 表示聲音在氣體中的傳播速率；V 表示氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)速率；L 表示聲音傳播的路徑長(zhǎng)度。

進(jìn)一步計(jì)算出順流方向傳輸時(shí)間t12小于等于逆流方向的傳輸時(shí)間t21，還可以求解出氣體聲音傳播速率c 和空氣的流動(dòng)速率V，得到式（3）、式（4）和式（5）：

當(dāng)氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的傳輸時(shí)間的差異非常小，每個(gè)方向上的傳輸時(shí)間是毫秒級(jí)。因此準(zhǔn)確測(cè)量渡越時(shí)間是非常重要的。

2.2 超聲波氣體流量測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

超聲波作為一種機(jī)械波其傳播特性不太理想，在傳播過(guò)程中容易產(chǎn)生信號(hào)畸變，為了提高測(cè)量信號(hào)的信噪比則需對(duì)其進(jìn)行濾波，通過(guò)對(duì)切比雪夫?yàn)V波器[7]和橢圓濾波器[8]等相比較，巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)具有最大的平坦幅頻特性[9]，且在時(shí)域內(nèi)響應(yīng)速度較快，通過(guò)去除高頻和低頻噪聲使超聲信號(hào)保持在合適的頻率范圍內(nèi)，其二階帶通濾波器G（s）的傳遞函數(shù)定義為

式中：ζ 為濾波器阻抗系數(shù)；w0為帶通濾波器的中心角頻率。進(jìn)一步推算出中心角頻率：

式中：wh為帶通濾波器的上截止角頻率；w1為帶通濾波器的下截止角頻率。

通過(guò)引入基于峰間最大差分的濾波技術(shù)，有效抑制濾波器帶來(lái)的相位延遲更準(zhǔn)確地捕捉到回波信號(hào)特性，還能不用預(yù)先定義閾值，只要檢查到峰間的最大差異就能快速地找到所要的特性。通過(guò)采用雙重激勵(lì)的方式可以觀察兩種激勵(lì)下的回波信號(hào)隨著時(shí)間推移而發(fā)生的變化，把兩種激勵(lì)的回波信號(hào)相加而獲取疊加波形來(lái)構(gòu)建出新的模擬方法。

集成電路的構(gòu)造包括增益控制芯片VCA810、峰值采樣、A/D 變換、單片機(jī)控制和壓力調(diào)節(jié)?？刂菩酒亲詣?dòng)增益控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其性能決定了整個(gè)自動(dòng)增益控制電路系統(tǒng)的成功與否。為了在回波信號(hào)中找到穩(wěn)定的特征點(diǎn)則需要準(zhǔn)確地在信號(hào)中找到固定的周期間隔，如果信號(hào)的波動(dòng)不會(huì)超出兩個(gè)核心負(fù)斜率零點(diǎn)，就可以在縱坐標(biāo)方向上確定一個(gè)合適的閾值范圍。通過(guò)精確的門(mén)限選擇，在每一個(gè)采樣周期內(nèi)精確地定位信號(hào)中的正弦周期間隔獲得更加精確的結(jié)果。利用閾值過(guò)零檢測(cè)方法準(zhǔn)確找到特征波后計(jì)算出所需的過(guò)零點(diǎn)，采集6 個(gè)過(guò)零點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地算出信號(hào)的傳輸距離，有效抑制隨機(jī)誤差提升測(cè)量準(zhǔn)確性。這6 個(gè)過(guò)零點(diǎn)所代表的時(shí)間數(shù)據(jù)依次作為一個(gè)總體參考，其順序排列如下：

當(dāng)發(fā)現(xiàn)n 點(diǎn)的幅度與n+1 點(diǎn)的幅度的極性相反時(shí)使用線性插值來(lái)計(jì)算信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間，假設(shè)信號(hào)的采樣周期Tc是一個(gè)固定的，則定義線性插值計(jì)算過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T(mén)i，得出公式（9），就可以得到疊加波形的變化規(guī)律：

在設(shè)計(jì)中一個(gè)回波信號(hào)周期T 由100 個(gè)采樣點(diǎn)組成，每個(gè)采樣點(diǎn)都會(huì)被移位以獲取更多信息。當(dāng)2 個(gè)采樣點(diǎn)被移動(dòng)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的疊加波形，這個(gè)疊加波形的周期與回波信號(hào)的周期一致，即100 個(gè)采樣點(diǎn)的變化。根據(jù)疊加波形的變化規(guī)律趨勢(shì)，如圖3 所示，間歇激勵(lì)法的成功關(guān)鍵在于找到2 次激勵(lì)之間的最佳間隔才能夠有效地捕捉到相鄰峰值之間的較大差異。

圖3 兩種不同間隔激勵(lì)回波信號(hào)數(shù)值和的波形Fig.3 Waveform of numerical summation of echo signals of two separate excitations at different intervals

2.3 自動(dòng)控制的最優(yōu)反饋回路算法

通過(guò)采用多個(gè)控制回路的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的有效監(jiān)測(cè)。這些控制回路的計(jì)算首先是確定第n 個(gè)控制循環(huán)的位置值Lp（n），如公式10 所示。然后根據(jù)公式進(jìn)行處理，式中使用的累加和積分符號(hào)是為了方便描述算法，其含義并不嚴(yán)格符合微積分或累加符號(hào)的數(shù)學(xué)定義，其中Fp（n）是第n 個(gè)控制周期的速度參考，通過(guò)對(duì)速度積分得到位移實(shí)現(xiàn)對(duì)位移參數(shù)的控制。

由于每個(gè)周期很短且位移較小，不可能一次完成系統(tǒng)給定的位移，因此須根據(jù)如運(yùn)動(dòng)速度和加減速時(shí)間作為閉環(huán)控制的輸入給定值等參數(shù)計(jì)算。每個(gè)周期根據(jù)電流偏差值來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以完成一定的位移量并消除偏差，就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的最優(yōu)反饋算法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

超聲波氣體測(cè)量主要由MAX35104 芯片實(shí)現(xiàn)，芯片通過(guò)SPI 發(fā)送各種命令使芯片中的定時(shí)模式來(lái)測(cè)量氣體流量。試驗(yàn)使用示波器對(duì)超聲波收發(fā)模塊性能進(jìn)行了測(cè)試，仿真波形如圖4 所示，上面的黃色信號(hào)是高速比較器的輸出信號(hào)，下面的藍(lán)色信號(hào)是超聲波接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后的信號(hào)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明超聲波氣體流量計(jì)是采用了傳播時(shí)間差測(cè)量原理設(shè)計(jì)的，可以根據(jù)不同氣體特性調(diào)整校準(zhǔn)程序，從而極大地提升了氣體流量測(cè)量的精確度。

圖4 高速比較信號(hào)波形仿真Fig.4 High-speed comparison of signal waveform simulation

將渦輪和超聲波流量計(jì)同時(shí)安裝在DN100 的測(cè)試管道中，超聲波換能器工作頻率選擇為400 kHz，根據(jù)采樣頻率不小于信號(hào)頻率的2 倍，選擇10 倍于流動(dòng)信號(hào)頻率的采樣頻率為2 kHz，采用單音測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得出流體流速分布的不對(duì)稱性所引起的流速測(cè)量精度可達(dá)±1%，同時(shí)可以看出流量較小的時(shí)候測(cè)量的誤差較大是因?yàn)樵诹髁枯^小的時(shí)候渡越時(shí)間差的測(cè)量相對(duì)誤差增大。實(shí)驗(yàn)室仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室仿真數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Results of simulation experiment

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引入先進(jìn)的自動(dòng)控制及相關(guān)優(yōu)化技術(shù)，成功地解決了氣體超聲流量計(jì)的信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，使單通道氣體超聲流量計(jì)可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行且設(shè)計(jì)出新型超聲波氣體流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制，采用閉環(huán)反饋控制并通過(guò)仿真驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確地比較信號(hào)波形的性能。通過(guò)將本算法應(yīng)用于氣體超聲波氣體流量計(jì)能夠有效克服傳統(tǒng)流量計(jì)的缺陷，提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，減輕人工實(shí)測(cè)進(jìn)行比對(duì)的勞動(dòng)強(qiáng)度，為相關(guān)企業(yè)在氣體檢測(cè)計(jì)量工作提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，并取得了良好的效果，受到了使用者及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可，對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的普及具有重要意義和積極作用。