金色的鱼钩图片超声波风速风向检测技术的研究王保强李一丁成都信息工程学院成都610225 摘要超声波测风技术是基于向量分析法利用超声波信号在空气中传播时所载气体流动信息来测量风速风向的测量技术具有非接触、精度高、范围宽、安装维护方便等特点。超声测风法特别适合用于环境检测、航海、工业风道检测以及危险性气体的测量。本文对超声波风速测量的基本原理和实现方法进行了详细阐述在吸收国内外先进超声测量技术设计了一种基于传统时差法的超声波风速风向检测方法。本设计采用高性能、具有较小温度-声速系数和声阻抗的超声波换能器同侧V型安装方式。顺、逆流反射信号经插值和互相关运算由互相关函数的峰值得出两回波信号的时差实现风速风向测量。本设计采用了温度补偿技术给出了补偿计算公式对声速由温度造成的误差进行修正。通过大量实验与测试表明该超声波测风试验平台和数据处理软件设计合理实用具有高的精确度与稳定性。关键词超声波风速风向互相关时差Detection Technology of Wind Direction and Speed with Ultrasonic Transducers WANG Baoqiang LI Yiding Chengdu University of Information Technology Chengdu 610225 China Abstract: The wind measurement technology with ultrasound is developed rapidly in recent years. The information of wind velocity and direction is carried by the ultrasonic waves. The wind velocity and direction are obtained according to the vector relations between wind and ultrasound. The main merits of the ultrasonic wind measurement technology are non-contact non-mechanical conveniently for installation and maintenance. The method is especially acceptable for measurement of environment detection navigation test industrial ventilation and what in dangerous environment. In the paper the basic principle and method of the ultrasonic wind measureme1994年属什么
英文备注nt technology are introduced. Two pairs of ultrasonic transducers are mounted crossly in V-mode. When the acoustic waves transmit from different directions their speed will be affected by the winds. The time difference of up-stream and down-stream acoustic waves through same distance could be obtained. The signals of time-difference are sampled interpolated and correlated. According to the difference between peaks of the signals the wind speed and direction can be calculated indirectly. Then temperature compensation is ud to revi the change of the acoustic velocity with the environment temperature. The design methods above have been emulated and tested in the laboratory. It is proved with the results of practice that the ultrasonic detection flat-form and software above mentioned are effective practicable high precision and stability. Keywords: Ultrasonic technology wind speed and direction cross-correlated method of time-difference 1引言根据超声波流体测量技术的基本原理利用超声波在流体中传播时所载流体的流动信息可以实现多种流体流动状态的测量。利用超声波测定流速、流量的检测技术不仅应用于大气探测而且在工业生产方面、海洋观测及多种计量测试受四川省应用基础研究项目2006J13-21国家自然科学基金项目30470420的支持中得到广泛的应用12。基于超声波的流体测量仪器结构简单、无运动部件、使用寿命长超声波收、发换能器发送接收脉冲信号原理上没有零点漂移性能稳定因此被认为是理想测量方法之一。本文主要内容为超声波测风方法的研究。利用该方法的风速测量范围大维修方便并逐渐由固定式向便携式发展应用范围将会不断扩大。目前国内市场已经出现的超声波流体检测仪器结构较为简单高性能产品仍处于研究开
发阶段。国外已经出现了较为复杂的高精度超声流速仪但价格昂贵。本课题组的研究将结合国外技术和国内技术现状立足于自主创新进行实用性技术的开发。2超声波风速风向测量方法超声波风速
风向测量技术发展到今天按照其工作原理可以划分为两大类34 1超声波速差式测风法超声波速差式测风法的基本原理是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的。根据计算公式不同可以分为时差法、相位差法、频差法等其中频差法克服了声速随流体温度变化带来的误差准确度校高。按照换能器的配置方法的不同速差法又分为 z法透过法、V 法反射法、X法交叉法等。在大气探测及工业现场检测中由于气体的温度常不能保持恒定故多采用频差法。2超声波旋涡式测风法根据卡门涡街原理利用超声波束被旋涡调制来进行连续定点测量。卡门涡街原理是在无限界的流场中垂直插入一根无限长的非流线型阻挡体在雷诺数蛀牙的危害
Re200 5000范围内阻挡体的下游产生两排内旋、互相交替的旋涡列其频率与流速成正比而与圆柱体的直径成反比 同时由于涡流影响整个量程内风速与脉冲频率信号不能完全成正比例需要利用电路进行量值补偿 使用中需定期对旋涡发生体进行清洗保证测量精度。如采用三角柱体旋涡杆产生的旋涡强度稳定测量范围达
0.4 15m s。根据测风仪器结构和计算方法超声流体检测方法还可以分为多种 21传播时差法时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算风速进而求得风向。根据时差的表现形式不
同可以分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法最早应用于超声波流量计设计简单使用方便适用于大、中口径管道以及敞开流体的测量。此法受温度影响比较大应设法提高计时精度和降低温度对测量精度的影响。频差法是循环多次的直接法此法的精度是直接时差法的循环次数倍适用于中、小口径管道优点是精度高、受温度影响小缺点是易受环境干扰影响。相位差法是将时间差转换为相位进行测量。22 多普勒法当测量气体中含有悬浮粒子或者液体中有气泡的时发射超声波信号的多普勒频移f是 2sin/RSSfffVfC 2.1
式中 Rf――发射信号频率 Sf――接收信号频率 ――入射角等于反射角
V ――流体流速 C ――超声在流体中速度 于是/2sinSVCff 2.2 本技术已经在医疗仪器、工业测试领域应用。多普勒法对流速变化的灵敏度比其他方法好得多值得重视和研究。23. 相关法流体可以看作沿管道以相干方式运动的湍流模式任意两点A、B记录的信号xt、yt满足相关函数 0limTxyTxtytdt 2.3 如果有湍流扰动在A、B两点产生幅度和相位相同的信号那么等于A、B两点间的扰动平均传播时间xy将出现最大值设mt是对应于xy峰值点的值则流体流速满足 /mVLt 2.4 其中 L是两个换能器之间的距离。相关法测量风速属于非接触式测量方法在使用超声波换能器的同时需要将两组参数近似相等的换能器固定在被测管道上进行测量。通过对接收到的两路信号进行时域特性分析可以确定t m并求得流体流速。相关法测量的特点在于寻找两路信号的相似程度因此这种方法的测量精度与所测量的管道口径、介质的种类及流速关系不大更适合于小管道、小流量的测量。24卡门涡旋法5 其原理是在流体中垂直
地插入一根三角形不锈钢针流体经过钢针后会产生涡旋该涡旋对穿过流体地超声波信号进行调制调制频率满足 /fsVd 2.5 式中 S ――斯特哈尔系数 d ――涡旋发生体地直径 V――流体地流速 于是 /Vfds 2.6 这些方法各有优缺点在实际应用中要根据待测对象和要求进行选择。25频率差法67 频差法是由一组顺流发射的超声波发生器和接收器T1、R2另一组逆流的T2、R2各自组成发射 接收的闭路循环系统其发射 接收的循环频率分别为 1/fcuL 2.7 2/fcuL 2.8 其差
值 212/fffuL 2.9 流速 2Luf 2.10 该方法的优点在于计算所涉及到的参数比较少故被影响的因素也比较少。由于f表达式中不涉及超声波的传播速度从而避免受温度
的影响因而是值得研究和应用的方法。3 超声波测风方法的实现3.1 超声波测风方法的模型设计超声波测风法的实验模型如图3.1。图3.1 测量原理图超声波脉冲信号从发射换能器发射后到接收传感器之间的渡越时间渡越时间12t为从换能器1到传感器2顺流超声信号传播时间渡越时间21t为超声信号由换能2到传感器1逆流传播时问。由于气体的流动12t要略小于21t。设L为两传感器间直线距离可得12LtXCVL 和21LtXCVL 3.1 式中X为径向距离m C为气体声速m s V为风速m s L为声程长度m。气体速度V可得: 2211221122ttLVXtt 3.2 可得气体声速C 211221122ttLCtt 3.3 简化得 222tVCVX 3.4 其中XVVL 因为22CV 所以3.4可为
2.2tVCX 气体声速C: LCtt
3.5 通过测量X 12t L 21t 就可计算气体流速及声速。时差法超声波测风算法需要精确测量超声波信号的传播时间。为保证测量精度由式3.2可知两个时间参数需精确测量 1渡越时间12t和21t的时间差对于低流速时只有几个纳秒 2渡越时间的绝对值其值大小取决于超声波探头间距。虽然经数字平均技术的处理可以降低信号中的噪声含量但仍不能完全消除所以不能采用液体流量算法的电平比较式的时间测量方式需用相关技术来进行测量。采用相关法测量时差最大的优点在于其对噪声的免疫性这主要是由于噪声信号间不具有相关性运算时结果基本不受噪声的影响。时差法超声波测风算法中测时精度是决定流速精度的关键。若采用传?车穆龀寮剖 椒 词褂闷德矢叽?00MHz的时钟也仅仅能达到10ns 的测时分辨率无法满足微速风的测量需求。以直径为25mm口径管道为例为了扩大声程采用V字型安装信号的传输时间为约36微秒加上延迟时间约为50微秒左右在介质流速为1m/s时时差仅仅为20ns左右要达到1的分辨率即0.20ns用传统的脉冲计数是无法实现的。本文测量超声波信号在大气中传播时间利用互相关原理将时间差转换成统计量来进行计算并结合正弦插值技术以及温度补偿技术等减小了边缘检测误差和环境影响消除了温度对声音传播速度影响提高了测时分辨率使测时精度达到纳秒或亚纳秒量级。3.2 互相关算法在测风技术中的应用结合图3.1的风速风向检测模型设顺风信号和逆风信号分别为S1t和S2t为了计算两信号的传送同一距离所经历的时间差可以利用两信号的互相关计算方法7。相关函数描述了两个信号之间的关系或者其相似程度也可以描述同一信号的现在值与过去值之间的关系或者根据过去值、现在值来估计未来值。随机信号XtYt的相关函数定义为 xyRxtytdt 3.6 或yxRytxtdt 3.7 显然xyR是两信号之间时差的函数。通常将xyR或者yxR称为相关函数。若xt与yt为功率函数则以上定义
失去意义通常把功率信号的相关函数定义为 221limTxyTTRxtytdtT 3.8 根据相关函数定义当xt与yt均为复数时则有xyRxtytdt 3.9 式中yt是yt的共轭已知FxtXFytY 则xyFRXY 3.10 由式可知两信号相关函数的Fourier变换等于其中一个信号的傅立叶变换乘以另外一个信号傅立叶变换的共轭即相关定理。在数字信号处理时相关函数离散为NxyiRjxiyijjNN 3.11
11NxyiFRjxkykN 3.12 此即离散相关函数定理即两个周期为N的时域周期序列它们的时域离散相关的离散傅立叶变换等于它们的离散傅立叶变换的乘积。互相关流速测量技术以随机过程互相关理论为基础。随着FFT算法的快速发展极大的提高了频域内互相关运算速度。顺风信号和逆风信号1st和2st的互相关函数为
121212ssCtsstdstst 3.13 假设1st和2st为相差时间的相同信号即21stst相关函数在t时祖国手抄报
达到最大值即通过求解相关函数的最大值即可求得两信号的时差。相关计算可通过DSP对离散数据进行处理得到但对大量数据进行逐点的相关运算由得到最大值产生
时间来计算时差其运算量非常大。为解决此问题可以利用傅里叶变换。上式的傅里叶变换为 121212ssssCCfFCtFstFst 3.14 逆变换为 12121ssssCtFCCf 3.15 从而将相关运算转换为求两信号的傅里叶变换及相乘后的傅里叶逆变换在相关运算结果中确定最大值对应时间即为两信号时差。33 温度补偿模块的设计空气中超声波传播速度表达式为78 00TTcc 3.16 T0是摄氏零度的绝对温度即T0273.1干什么最赚钱
6K c0 是T0
下的声速c0331.45 m/s。本模块设计采用性能稳定的温度传感器Pt100温度检测和温度补偿计算应用ADuC816单片机系统。ADuC816在片内含有双通道∑-ΔADC主“通道”ADC是提供优于14位信噪比的16位∑-Δ转换器这些片内资源能足以满足温度补
偿的精度要求。4实验结果及误差分析41 基本实验结果为了测试风速测量精度和其他技术性能首先对超声波风速检测实验进行了整体调试分别在0、5、10、20摄氏度环境下通过人工提供风场来进行风速风向的测量并采用了英国的GILL超声波风
牛排骨最简单的做法速仪以及美国YOUNG公司的三轴风速仪进行对比实验。表4.1是超声波测风试验的测试数据。表4.1 超声波风速检测数据温度补偿环境温度oC 风速真值/ms 未加温补风速/ms 加温补风速/ms 无温补误差加温补误差0 0.13 0.126 0.129 3.08 0.77 0 0.50 0.488 0.499 2.4 0.20 0 2.71 2.643 2.709 2.47 0.04 5 0.21 0.205 0.208 2.38 0.95 5 0.52 0.506 0.518 2.69 0.38 5 2.68 2.614 2.679 2.46 0.03 10 0.48 0.468 0.479 2.50 0.21 10 2.72 2.654 2.718 2.42 0.07 10 3.61 3.533 3.609 2.13 0.03 20 0.14 0.136
0.139 2.86 0.71 20 0.53 0.529 0.529 2.08 0.19 20 4.20 4.111 4.199 2.12 0.24 可以看出
在未加入温度补偿时系统误差在2.5左右加入温度补偿模块后系统误差降低到0.03左右。5结论超声波
风速风向检测以其独特的优点在大气探测、海洋观测以及工业获得了广泛的应用。本文在深入研究超声波风速测量基本原理的基础上吸收和借鉴了当前超声波测量领域和电子学科的一些新方法、新技术通过改进硬件和信号传播时间测量方法提高了超声波风速仪的稳定性、可靠性、精度以及测量范围。通过大量实验测试证明了上述设计方法和改进是成功的。通过对系统各种测量误差分析与和实验数据处理比对验证了上述分析的正确性。本文所提出的基于相关理论的时差法超声测风系统设计通过选用高性能的、具有声速温度系数小和声阻抗低的超声波换能器及温度补偿技术给出了温度补偿计算公式对声速温漂进行修正使测量精度指标上升到0.2。参考文献1 邱立存王汝琳超声波气体流量测量系统的实现传感器与微系统20061 47-49 2 Drenthen J Gde Boer G The manufacturing of ultrasonic gas flow metersJFlow Measurement and Instrumentation 200112 89—99 3 Brassier P Hosten BVulovlc F High frequency transducers and correlation method to enhance ultrasonic gas flow meteringJ Flow Measurement and Instrumentation 200112 210—211 4 Roesnek N Novel digital signal processing techniques for ultrasonic gas flow measurementsJFlow Measurement and Instrumentation 2000 11 89—99 5 W. Q. Yang M. S. Beck. An intelligent cross correlator for pipeline flow velocity measurement J Flow Measurement Instrument 1997 82 77—84. 6 李广峰刘目方等超声波流量计的高
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石韵浩庭
