CN1804557A - 传播速度差式超声波流量计的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传播速度差式超声波流量计的信号处理方法，用于测量超声信号在测量管道中的传播时间从而测得流体流速及流量。本发明提出的方法：(1)利用具有自相关特征的编码调制超声信号，生成发射信号；(2)发射信号经管道流场传播携带了流速信息；(3)接收携带了流速信息的发射信号，并与步骤1中生成的发射信号进行相关运算；(4)根据相关函数的峰值位置精确测得超声信号的传播时间，以此计算流速和流量。本发明提出的编码相关测量方法回避了直接测量收发信号的微小时间差所存在的困难，能够获得高测量精度的信号传播时间。

Description

传播速度差式超声波流量计的信号处理方法

技术领域

本发明属于超声波流量计范畴，特别涉及一种超声波流量计的信号处理方法。

背景技术

长期以来，尽管孔板流量计和涡轮流量计在天然气流量计量中得到了广泛的应用，但其固有结构及原理存在一些缺点，如孔板流量计量程比范围小，压损大，对脉动流敏感；而涡轮流量计与前者相比虽然准确度高，量程比也较宽，但存在可动部件，对介质清洁度要求高。随着人们对能源问题的日益关注，对流量计的要求也随之提高。特别是天然气的传输和计量一直是人们关心的主要课题，而计量的准确性和仪表安装维护的方便性如何兼顾则是这一课题的核心。随着压电陶瓷技术和高速数字处理技术的发展，20世纪90年代末，超声波气体流量计正以其独特的优势进入天然气等气体流量计量现场。

与传统流量计相比，超声波流量计具有无可动部件，压损小，测量准确度几乎不受介质温度、压力影响等优点，尤其是在大管径流量测量方面，其优越性更加明显。近10年来，在工程应用及国际贸易中，超声波气体流量计大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前，美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送***的计量仪表。据了解，我国也正对此进行技术论证，制定标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例，经多次流量计量论证，已将超声波气体流量计作为天然气流量计量的首选仪表。

超声波流量计采用的信号检测方法有时差法、相位差法、频差法、多普勒法、相关法、波束偏移法和噪声法等。由于时差法、相位差法、频差法的基本原理都是通过测量超声波信号顺流和逆流传播时速度之差来反映流体流速的，故又统称为传播速度差法，是目前应用最为广泛的方法。

虽然采用超声波原理测量流量始于20世纪20年，70年代进入实用阶段，但介质仍限于液体。用于测量气体的超声波流量计产生于90年代，至今不到20年。气体流量测量中的超声应用进展缓慢，主要原因是气体和固体(超声换能器的材料)的声阻抗率分别为0.0004MRayl和1～35MRayl(1MRayl＝10⁶N·s/m³)，使得气体和固体界面上的声透射非常低，这种阻抗的严重失配导致了气体超声换能器效率低、频带窄、脉冲余振长。再加上气体中高频超声波的强衰减特性、声速随环境变化、检测易受环境噪声的影响等因素，使得气体超声检测***无法达到一般超声检测***的灵敏度，信噪比和分辨率。

传播速度差式超声波流量计的误差主要由两个方面的因素决定：一是信号处理的精度，特别是超声信号在气体中衰减较大，精确测量难度更大；二是超声波在流场中传递的流体力学模型选择，这主要体现在流场速度不均导致超声波射线轨迹变化引起的误差和由于流场断面速度分布不均使测得的线平均速度与实际的面平均速度不同引起的误差。

发明内容

本发明所要解决的主要问题是传播速度差式超声波流量计尤其是用于气体流量检测的超声波流量计的信号处理精度不高的问题。为此本发明提出如下的超声波流量计信号处理方法，用于测量超声信号在测量管道中的传播时间从而测得流体流速及流量。

(1)利用具有自相关特征的编码调制超声信号，生成发射信号；

(2)发射信号经管道流场传播携带了流速信息；

(3)接收携带了流速信息的发射信号，并与步骤1中生成的发射信号进行相关运算；

(4)根据相关函数的峰值位置精确测得超声信号的传播时间，以此计算流速和流量。

上述技术方案中，用作调制的编码最好选用具有优良自相关性质的码，如伪随机码等。

本发明具有以下突出的优点：

1.本发明提出的编码相关测量方法回避了直接测量收发信号的微小时间差所存在的困难，能够获得高测量精度的信号传播时间；

2.经典相关流量测量方法是基于对流体内部自然发生的随机噪声信号测量，而这种噪声源于湍流，物理背景十分复杂。而在本发明提出的编码相关流量测量方法中，测量的对象是编码信号，如伪随机码，物理背景简单明确，结构由预先选择的本原多项式唯一确定，可重复产生，这就排除了研究对象的模糊性。

3.编码相关技术测得的流体速度比经典相关流量测量中的相关速度具有更明确的物理意义。如果将相关测量***中传感器敏感体积内流体的某种或某几种参数(如单相流中的“涡旋”，两相流中的离散相浓度等)的分布或变化函数定义为敏感场，则经典相关流量测量中的相关速度代表的是该敏感场的流速信息。显然，敏感场是随机时变的，所以敏感场的随机性决定了其所代表流速意义的随机性，所测得的相关速度并非是流体的平均速度，故其物理意义尚待明确。而编码相关技术实质还是超声波流量测量原理，因此测得的流体速度明确定义为声程上的线平均速度，转换成流体平均速度(面平均速度)时受流速轮廓线形状的影响。

4.编码相关技术减少了误差来源。根据经典相关流量测量理论，相关函数积分时间的有限，上、下游信号通道(包括传感器及相应的解调，放大和滤波电路)特性匹配程度都是引起测量误差的因素。而在编码相关技术中，由于编码信号，如伪随机码是周期性的确定信号，因此其相关函数的计算可在一个周期内完成，而没有积分时间无限长的要求，而且，***只有一个信号回路，因此不存在信道匹配的问题。

附图说明

图1传播速度差式超声波流量计之频差法流速测量原理图；

图2经典相关流量测量原理图；

图3伪随机码自相关函数图；

图4本发明的超声波流量计中的编码相关流量测量过程示意图；

图5使用伪随机码编码得到的相关函数形状示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种新颖的超声波流量计信号处理方法——编码相关测量技术。具有优良自相关特性编码的一个重要也是比较早的应用是测距，无论是传统的雷达测距还是当今最先进的卫星导航全球定位***(GPS)，其传播时间测量精度能达到近似原子钟的等级。本发明的思路来源于上述事实。

将编码相关技术用于超声波气体流量计传播时间的高精度测量的原理如下：根据相关理论，如图1，上游aa’发射信号x(t)和下游bb’接收信号y(t)的相关函数R_xy(τ)峰值位置所对应的时间τ₀即为渡越时间(也就是信号的传播时间)。因此，信号x(t)在***中的传播速度v_c(通常称为相关速度)可以由v_c＝L/τ₀计算。在理想流动状态下，也就是管道横截面上各点处流体的速度都相等时，被测流体的体积平均流速v_cp可以用相关速度v_c来表示，则被测流体的体积流量Q可表示为：

                    Q＝v_cp·A＝L/τ₀·A

                    式中A为管道截面积

一些编码，如伪随机码(本发明的实施例采用m序列)的自相关函数具有类似δ函数(冲激函数)的形状，所以其尖锐的峰值特性保证了传播时间测量的准确性。因此，只要对发射的超声信号进行调制编码，如调制为伪随机码，接收的超声信号实际就是在时域上有一延时的发射信号，将两者作自相关运算，则自相关函数形状类似δ函数，其峰值对应时间就是上述延时，即信号传播时间。

调制编码思想不限于伪随机码中的m序列。通信领域中应用的编码种类繁多，只要是具有优良自相关特性的编码都可借用，如Gold码、巴克码、平方剩余序列、霍尔序列、双素数序列等。

由于现有的超声波气体流量计的测量精度难以保证，其应用收到很大限制，本发明所提出的方法是基于对超声波气体流量测量研究成果提出的，但该方法并不限于气体流量测量，实际上同频率的超声在液体中的衰减要远远小于气体，因此液体中的超声信号更易检测，精度更高。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

针对传播速度差式中的频差法超声波流量计进行编码相关流量测量。频差法是测量顺流和逆流超声波脉冲的循环频率差获得流体流速、流量值的方法。超声波气体流量计的声环回路如图2所示，A和B为一对超声换能器，相互交替作为发射器和接收器。其工作原理为：一换能器发出超声波，另一换能器接收到超声波信号后，经过一定的信号处理后再次触发发射器，这样形成一个声循环过程，这一循环频率即为声循环频率设顺流时声循环频率为f₁，逆流时声循环频率为f₂，声循环频率差为Δf。忽略超声波在传感器中传播和电子电路等时间延迟因素，可得如下公式描述：

$f_1=\frac{1}{t_1}=\frac{c+V\cos \mathrm{\θ}}{L}$

$f_2=\frac{1}{t_2}=\frac{c-V\cos \mathrm{\θ}}{L}$

$\mathrm{\Δf}=f_1-f_2=\frac{2V\cos \mathrm{\θ}}{L}$

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{\Δf}$

V-介质流速(m/s)

θ-超声波传播声道与管中心线夹角

L-超声波声道的长度(m)

t₁-超声波顺流传播时间

t₂-超声波逆流传播时间

可见只要精确地测得超声信号顺流和逆流的传播时间t₁和t₂，就可以测得流体流速及流量。

本发明的编码使用具有优良自相关特性的码，如伪随机码中的一种——m序列。通过r级线性移位寄存器产生，由0和1构成的二元序列(不包括全0序列)，其最长的可能周期是p＝2^r-1。具有这种最长周期的线性移位寄存器序列称为最长线性移位寄存器序列或m序列。

m序列具有以下三个方面的随机特性：

(1)在每一周期p＝2^r-1内，0出现2^r-1-1次，而1出现2^r-1次，即0比1少出现一次；

(2)在每一周期p内，共有2^r-1个元素的游程(把k个同种元素连续出现叫做一个长度为k的元素游程)。其中，长度为k(1≤k≤r-2)的游程出现的比例为2^-k。最后有一个长度为r的1游程和一个长度为r-1的0游程；

m序列具有双值自相关函数特性，即它的自相关函数类似冲激函数(δ函数)的形状，且为周期函数，周期为p，如图3所示。

本发明的超声波流量计中的编码相关流量顺流测量过程可用图4予以说明。在沿管道轴线两个截面处，分别安装有两个超声传感器，按照流体流动方向，上游安装的超声换能器发射超声(逆流测量时切换为接收状态)；下游安装的超声波换能器接收超声(逆流测量时切换为发射状态)。上、下游的两个传感器、测量管道及被测流体所组成的***可以被视为一个信号***。

本发明中，利用伪随机码m序列调制超声信号，由下游的超声波换能器接收，并通过转换，输出叠加了流体流动噪声n(t)的信号x(t-τ)+n(t)。输出的信号经过放大、滤波、同步捕捉和解调后，与伪随机信号x(t)作相关运算得到相关函数图形，如图5。该图形峰值位置所对应的时间位移t₁＝20.20μs就是超声信号在流体里的顺流传播时间。图中相关函数是在下述条件下计算得到：

管径：5mm

安装形式：45°Z形安装

介质：空气

声速：340m/s

流速：10m/s

伪随机码：1110100

码元宽度：10μs

峰值辨识采样频率：100MHz

测量时间：70μs

同理可求得逆流传播时的传播时间t₂，据此求得流量。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或具体实施方式，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在***构成和使用的某些细节上会有所变化，这些变化和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (2)

1、一种传播速度差式超声波流量计的信号处理方法，其特征在于，结合了编码和经典相关流量测量，步骤如下：

(1)利用具有自相关特征的编码调制超声信号，生成发射信号；

(2)发射信号经管道流场传播携带了流速信息；

(3)接收携带了流速信息的发射信号，并与步骤1中生成的发射信号进行相关运算；

(4)根据相关函数的峰值位置精确测得超声信号的传播时间，以此计算流速和流量。

2、根据权利要求1所述的传播速度差式超声波流量计的信号处理方法，其特征在于，所述具有自相关特征的编码为一种伪随机码。

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