2020年12月
第27卷第12期
化茧成蝶控制工程
Control Engineering of China
Dec. 2020
Vol.27, No. 12
文章编号：1671-7848(2020)12-2210-09DOI: 10.ki.kzgc.20180389
管道传输气体超声波流量计的新设计方法
董雅琳％裴小静a，刘涛a，仲崇权b
(大连理工大学a.先进控制技术研宄所：b.计算机控制与信息技术研宄所，辽宁大连116000)
摘要：采用超声波技术检測工业管道流量是一种新发展的流量测量方法，由于超声波在 n气体中传播袞
减较大，易受到环境的干扰，现有的超声波检測方法难以保证測量精度。基 '"'于时差法測量原理，提出了一个新的X型超声波气体传感器设计方案，通过使用三阈值 电路对接收到的超声波信号进行检測点校正，可降低由超声波缺波与陷波造成的測量误 从而提高曝精度。采用小賴健衫法賴量得卿超錢飞行时间进行数字滤-波，以提高抗噪和检測信号穗定性。并且给出-个M A L L A T快速算法以实现小波分析在
单片机上实时应用。通过在一个组装的单片机实时检測装置上进行气体流量測试，有效地
验证了所提出的设计方法的准确性和可靠性。
关键词：气体超声波流量计；超声波检測；时差法測量；三阈值比较法；小波分析
中图分类号：T P29 文献标识码：A
New Design Method of Ultrasonic Flowmeter for Pipeline Gas Transmission DONG Ya-lin\PEI Xiao-jin^,LIU Tao\ZHONG Chong-quanb
(a. Institute of A dvanced Control Technology; b. Institute of Computer Control and Information Technology, Dalian University of
Technology, Dalian 116000, China)
Abstract: The u of ultrasonic technology for detecting indu strial pipeline flow i s a newly developed flow measurement method. Becau the ultrasonic wave i s largely attenuated in the air and easily affected by environmental disturbances,the existing ultrasonic detection methods could hardly guarantee the measurement accuracy. Bad on the time difference principle for ultrasonic measurement,this paper propos a new X-type nsor design scheme. A three-threshold circuit i s ud t o rectify the detected points of the received ultrasonic wave,the measurement error arising from the ultrasonic wave loss and/or notch can be reduced,and therefore, the measurement accuracy can be further improved. The wavelet threshold f i l t ering method i s ud to digi tally f i l t e r the measured fl ig ht time of ultrasonic wave, so as t o improve anti-disturbance performance and s t a b i l i t y of measured signal. Moreover,a f as t algorithm named M A L L A T i s given to implement the wavelet analysis on a single-chip microcomputer for real-time application. Real-time measurement t e s t s are made for the gas flow bad on an asmbled single-chip microcomputer, which effectively demonstrate the accuracy and r e l i a b i l i t y of the propod design method.
Key words:Gas ultrasonic flowmeter;ultrasonic wave measurement;time difference method for measurement; three-threshold comparison method;wavelet analysis
i引言
超声波流量计是在一百多年前由德国工程师 首先研制出来的，随后欧美等国开始对此开展应用 研究，但进展较为缓慢[1]。直至20世纪50年代，第一台实用型超声波流量计投入使用，才标志着超 声波流量检测技术进入实用阶段到了 60年代，多普勒原理进入大众视野，以此为测量原理的超声 流量计如雨后春笋般地出现在市面上，其高精度与 抑制零点漂移的特性使其得到广泛应用[3】；随着80 年代后数字技术的兴起，不同超声流量测量技术得 到迅速发展，尤其是时差法与相关法【4】。前期的超
收稿日期：2018-07-14；修回日期：2019-01-14
基金项目：国家自然科学基金(61633006)；辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC1902030)
作者简介：董雅琳(1992-)，男，山东威海人，研究生，主要研宄方向为工业过程检测技术和信号处理等；刘涛(1974-)，男，新疆库尔勒人，博士，教授，主要从事工业过程辨识建模与控制优化等方面的教学与科研工作（本文通讯作者）-
第12期董雅琳等：管道传输气体超声波流量计的新设计方法•2211 .
声流量计主要是用于液体测量，近些年来逐渐开展 了对气体介质流量的测量[5,6]。我国的超声流量计 起步比欧美发达国家要晚一些，直至20世纪60年 代才开始相关研宄[7]。1978年，第一台利用频差原
理的液体超声流量计才投入实际工业使用，但其测 量精度明显低于国外同类产品[8]。直到90年代，国内的流量计技术逐渐接近国际先进水平但有 关部门没有颁布相关行业的国家标准与规定[1<)]。目前，国内己发展和应用的超声波流量计主要是基于 单声道测量原理研制[11，12]，当用于工业管道气体流 量检测时，易受管道中流场分布不均和环境噪声的 影响。因此，提高超声波流量计抗噪能力以及 减小由于流场分布对测量精度的影响是研制超声 波流量计需要解决的重要问题。
本文基于时差法测量原理，提出了一个新的X 型超声波气体传感器设计方案，并且设计了三阈值 电路对接收到的超声波信号进行检测校正，而且采 用小波阈值滤波方法对测量得到的超声波飞行时 间进行数字滤波，从而可以提高测量精度和抗噪性 能。此外，给出一个M A L L A T快速算法以实现小 波分析在单片机上的实时应用。
2时差法测量原理和新检测方案
本文根据典型的Z型安装方式进行检测原理 分析，由此提出X型安装方式，有效减少由于偏 向流速造成传统Z型安装方式产生的测量误差。
2.1 Z型安装原理分析
Z型安装方式如图1所示。
图1Z型安装示意图
Fig. 1Schematic diagram of Z type installation
图i中，i为一对换能器之间的间距（单位：m);0为换能器安装角度；Z)为管道内径（单位: m);v为介质轴向流速（单位：m/s)。根据图1可以得到如下内容。自制投影
超声波顺流飞行时间?，为
c + vcos0 sin0(c +vcos 沒)
超声波逆流飞行时间G为
c-vcos0sin^(c-vcos0)
在介质中逆流与顺流飞行的时间差义为
A t = t2—tx ID vcosd
sin0(c2- v2cos29)(3)由于声速 c = 340m/s，c2=115 600 (m/s)2，于是 c2 »(CO S沒• V)2。
2D v
A t-
c2tan 6
最终轴向流速为
c2tan 9S t
~ID~
(4)
(5) 2.2误差分析
Z型安装方法是利用倾斜于管道轴向的声路 以及声波顺逆流飞行的时间差间接测量流速的。被 测管道可能会出现偏离，如图2所示。
图2偏离轴向介质流速
Fig. 2 The velocity of the medium deviating from the axis 由图2可以发现，流速可能出现与声路方向相 同的偏离（左图），也可能出现与声路方向成一定 角度的偏离（右图）。偏向声路方向的流速，
可分 解为轴向流速vM i c a l以及垂直轴向的截面流速vO T S S (令v。^ = V C O S0 )，其中v。^可以分解为声路方向 v_c o s沒以及垂直于声路方向、_sin没。对图2 左侧流速偏离示意图进行分析，如图3所示。
图3垂直轴向流速分解
Fig. 3 Vertical axial flow velocity decomposition
因此，超声波在顺流时飞行时间 < 可计算为
<;=---------------------(I
C+V axdalC O S^ +Across C O S0
超声波在逆流飞行时间 < 可计算为
C-V»x i c a l COS0-A c r o s s COS0
在介质中逆流与顺流的飞行时间差&'为
=(8)由式(8)可知，
t[<t,(9)
(10
)
• 2212•控制工程第27卷所以
At' >At
根据时差法测量得到的流速公式如下:
明目张胆,c2 tan d A t'
v =--------
2D (11)
(12)
不难看出，由此计算得到的流速偏大。同理可知由图2右图计算得到的流速偏小。
2.3新X型安装方案
At =t2 — tx =
L L
--------------------------------------------卜
c-(va+vc) C + Va+Vc
L L(15) C~(Va-Vc) C + (Va-Vc)
2厶(va+v c)丨2Z,(va-v c)
c2-(v a+v c)2c2-(v a-v c)2
由于 c2»(v a-v c)2和 c2»(v a+v c)2，所以
为克服上述Z型安装方案的缺点，本文提出一 个新X型安装方案，如图4所示。
图4新X型安装示意图
Fig. 4 Schematic diagram of new X type installation
该方案包括两对共4组换能器，配对成交叉方 式安装。测量过程中，超声波顺流飞行时，由换能 器d发送超声波，换能器接收超声波，把接收 到的声波信号经过模拟电路与数字电路处理之后，作为换能器C的激励信号，激励换能器C再次发 送超声波，通过换能器£)接收到声波经过模拟电 路与数字电路处理后，信号被送到计时芯片，由此 计算出从激励换能器J发送超声波到换能器£>接 收到超声波之间
的飞行时间；超声波逆流飞行时，首先激励换能器发送超声波，经过一段距离飞 行，声波由换能器J接收，通过电路对信号的处理, 然后将信号作为激励，从而激发换能器Z)发送超 声波，同样经过一段飞行，将会由换能器C接收 到，经过电路处理，信号最终会送到时间芯片，从 而计算出从激励开始到换能器接收声波的时间。
当换能器安装角度0 = 45°时，即\_sin0二U O s h K。
顺流超声飞行时间卩可计算为
A，_2L(\+Vc).2L(V.~ V c)4^V a
~1
+ 2~2
(16)
最终轴向流速计算公式为
上述X型安装方案不仅能够消除偏离轴向流 速带来的误差，而且由于测量超声波飞行两次，即一个时
间的测量中存在两次声波飞行，有效地减少 了测量结果中随机误差所占比重，因而提高了系统 对随机噪声的抑制效果。
3三阈值声波处理电路
声波在介质中传播过程中，由于介质吸收、声 波的扩散与散射，造成声波的衰减，并且测量环境 中存在噪声干扰，会使得声波在飞行过程中波形发 生改变，而且声波在气体中飞行更易受到干扰。经 过飞行之后的声波经过换能器的接收与转化变为 电信号，因而才能被检测系统处理。接收到的声波 信号好坏决定了电路处理的信号品质，因此影响测 量精度。
超声波经过在介质中飞行之后，最后被接收换 能器接收到和转化的波形如图5所示。
L L甜糯米饭
’1= 1=
c + va+vc c + va-vc
L L
----------H-----------
c + (va+vc) c + (va-vc)逆流超声飞行时间b可计算为
c —va-vc c-va+vc
L L
-----------------------1-----------------------
C~(V a+V c)C~(V a~V c)顺逆流飞行时间差&可计算为
图5正常接收到的声波图
Fig. 5 Figure of normally received sound wave (13)
从图5可以看出，声波在介质中飞行一段时 间，经接收换能器转化之后，前几个波峰值显然要
小很多，这是因为声波在传播过程中衰减掉一些，
并且受环境噪声的干扰。声波的衰减由于每次飞行
的介质相同，所以每次测量的结果几乎是相同的。
(14) 本文采用时差法，即利用顺流飞行时间与逆流飞行
时间的差值计算介质流速。所以，只要保证每次声
波在介质中飞行时，经过的介质相同，
则得到的差
第12期董雅琳等：管道传输气体超声波流量计的新设计方法•2213 •
值几乎相同。但是，声波在介质中飞行不可避免地 受到环境的影响，尤其是附近存在机电设备振动产 生的噪声影响，如本文采用的测试装置是干燥流化 床，该流化床的风机工作时产生剧烈的振动，这些 噪声对超声流量计的测量造成很大的影响，其中最 为严重的就是声波的缺波与陷波。
3.1声波的缺波与陷波
声波的缺波与陷波是声波在飞行过程中受到 环境中的噪声影响，造成声波中某一部分的波形出 现畸形的现象。本文采用阈值比较的方法来辨认声 波的到达，所以若声波的缺波与陷波在检测阈值之 前出现，必然会导致飞行时间测量的误差较大。声 波的陷波与缺波现象如图6和图7所示。
图6超声波陷波现象
Fig. 6 Phenomenon of trapping ultrasonic wave
图7超声波缺波现象
Fig. 7 Phenomenon of losing ultrasonic wave
图6和图7中，粗实线为接收处理得到的声波 信号，细虚线为未受到影响的声波信号。通过图6 和图7可以看出，当声波出现缺波与陷波时，经过 阈值比较电路之后，会造成大约一个周期的测量误 差，这将大大降低测量精度。针对上述问题，本文 提出了三阈值比较方法进行处理。
3.2三阈值比较法
三阈值比较法就是设置3个阈值比较电路，通 过一个高阈值电压与两个低阈值电压来共同确定 飞行时间的测量周期，如图8所示。
图8三阈值比较法示意图
Fig. 8 Schematic diagram of the three-threshold
comparison method
由图8可见，除了保留之前的高阈值作为飞行 时间的检测点，只有声波信号电压高于高阈值电 压，才能触发时间芯片结束声波飞行时间测量。另外，加入两个“正负”低阈值电压，用于记录在高 阈值电压到达前，分别有多少波峰超过正向小阈值 与负向小阈值。分别测量和记录声波的顺流与逆 流，最后对顺逆流峰数比较，进行修正。
A t=t^ -?c w +〇-K w-W aw)(18)式中，与Waw分别为顺流与逆流测量得到的超 过正负小阈值波峰总数；a为修正因子；A f为顺 逆时间差；L与I分别为测得的声波顺流与逆流 飞行时间。
将式(18)得到的修正时间差代入前面提出的 声路环形测量公式，就能计算得到一个较为准确的 流速值。
4数字滤波
超声信号在空气中传播很容易受环境的干扰，如接收电路受电磁干扰以及时间芯片的测量 噪声影响等。噪声的存在会严重影响测量结果的 精度，所以需要采用数字滤波技术[141，将转化得 到的飞行时间进行消噪，然后再做流量计算，从 而得到较为准确的测量结果。
现有的数字滤波技术主要有算数平均法、中值滤波法、低通滤波法、滑动滤波法以及小波滤 波法[15，16]。通过比较各种滤波方法，我们确定小 波滤波法具有较好的效果，因此这里采用小波滤 波法进行数字滤波。
4.1边界扩展
现有的M A L L A T算法理论推导中认为信号序 列是无限序列，但在实际应用过程中，采样数据均 为有限数据集，这就会引入信号的边界问题。一般 处理方法是采用边界信息延拓方式，常用的方法有 3种，分别为零延拓、对称延拓和周期延拓[1\这3种延拓各有优缺点。如果采用正交小波 变换，零延拓与对称延拓计算量较少，但是会在 重构过程中引入边界效应，随着分解层数的增多，边界效应累积越明显。此外，零延拓存在数 据跳跃的现象，对称延拓与非正交小波滤波器结 合时会出现数据错位的现象。只有周期延拓能够 得到较为精确的重构信息，该延拓方法能保证M A L L A T算法做分解与重构计算的准确性，同时 对重构得到的信号有较好的处理结果，但周期延 拓会造成信号边缘的不连续，使得分解得到的高 频信号的系数很大，然而系数大的高频信号不允 许出现
。相比之下，对称延拓能够很好地抑制信
•2214 •控制工程第27卷
号边缘不连续问题，但具有前文提到的对称延拓 缺陷，所以对称延拓需要同对称的小波母函数配 合使用。
对于双正交小波变换，考虑对称延拓具有明 显的优势，本文采用对称延拓的方法处理采集信 号数据
集有限问题。
对称延拓定义式如下所示。
/'(«)=/("), 0。&-1(19)
保安f(2s-n-1),s-\<n<s+ f-2
灰腹绣眼鸟式中，5为信号序列长度：/为母函数序列长度。小波变换处理的信号长度若为偶数，则经过对称延 拓之后，信号长度计为5+2/；信号长度若为奇数，则需要在延拓结果的右端再加入一个元素。
4.2构建小波变换信号序列
小波分析通常基于一组信号序列进行分析。当进行实时采集数据分析时，由于单位时间内传感器 只能测量得到一个数据点，因而不便应用现有的小 波分析算法。上述问题有3种解决方案，分别为冗 余采样频率法、有滞后的浮动数据窗法和对称添加 的浮动数据窗法[17]。
冗余采样频率法利用增加一个测量周期釆样 频率的策略。针对小波分析单次分析需要使用一组 数据的特点，在一个测量周期内增加测得数据点，然后再进行小波分析。该方法的优点是当采样得到 的数据点足够多时，小波分析效果很好；缺点是需 要提供足够多的采集数据点，然而增加采样频率会 增加设备的负担，可能会增大测量误差。
有滞后的浮动数据窗法是基于之前一段时间 内采样获得的数据集进行小波分析。该方法的优点 是无需增加采样频率，并且保证采样周期与测量周 期的统一；缺点是大量使用之前数据会造成测量结 果的滞后，并且由于最新采样得到的数据为数据集 最后一个，无法体现最新数据的特点，具有很大的 测量滞后性。
对称添加的浮动数据窗法是对滞后的浮动数 据窗法进行改进后得到的。该方法亦利用之前采样 得到的数据集，但是对前期采样数据进行对称扩 展，并将最新采样得到的数据插入扩展数据的中 间◊比如前期采样数据点为;c p x2,，先进 行对称扩展得到，然 后将最新采样数据&插入到数据集中间，得到 ■^、々，^’，（，■••，•^，，^’”，^“，…，^[^，然后将数据 集进行小波滤波分析，得到滤波之后的数据集毛=«+ <+1)/2，从而得出最新测量的数据。该 方法具有带滞后的浮动数据窗法的优点，并且无需 提高采样频率，因而克服了其滞后的缺点，同时能 清除边界数据点对分析结果的影响。因此，本文采 用对称添加的浮动数据窗法对采样数据点进行滤 波处理。
4.3参数选择
4.3.1小波母函数的选择
这里采用小波阈值滤波进行数据滤波。为了选 取合适的小波母函数，对3类常用小波母函数[15]：进行对比，包括Haar小波、Daubechies(dbN)小波、Symlets 小波。
Haar(dbO)小波是一个比较基础的小波母函数，亦称为d b N系列小波，属于正交小波，但是在时域 上不是连续的，所以在分解过程中性能不是很好。
d b N小波是紧支集正交小波，具有较好的正则 性；iV为小波的阶数，阶数越高，在进行频域分析 时局部分析能力越强，但会加大计算量。需要注意 的是，d b N小波只有在一阶时才是对称的，因而在 进行小波分析过程中会出现相位失真。
Daubechies对d b N小波进行改进，提出Symlets 小波，但也是一簇小波集。Symlets小波不仅拥有 d b N小波簇的紧支集正交优点，同时还比d b N小 波有更优的对称性，所以不会出现d b N小波簇的 较大相位失真现象。
这里分别采用上述3种小波对采集得到的数 据进行离线分析，从中选择最适合本文设计系统的 且在线处理的母函数。原始采集得到的数据如图9所示。
图9原始信号
Fig. 9 Original signal
各小波母函数处理的效果如图10~图14所示。
®〇5
刘邦怎么死的
010 2030405060 70
n
图10 H a a r小波处理结果
住房公积金在哪里查询
Fig.
10 Procesd result with Haar wavelet
