超声波流速测量系统研究技术报告.doc

1、1 引言1.1 课题研究背景及意义研究利用超声波测量流体流量已经有数十年的历史了。1928 年，法国人 o.Rutten 研制成功了世界上第一台超声流量计。但为了使超声波流量计有一定的精度，时差法超声波流量计要求对时间的测量有相当高的测量精度，这在当时是很难做到的。1955 年，应用声循环法的MAXSON 流量计在美国研制成功，用于航空燃料油流量的测量。50 年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入工业应用时期。但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。到了 80 年代中后期，单片机技术的应用使超声流量计向高性能、智能化的方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和

2、数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而月.还能设计出友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操作和使用。单片机在超声流量计中的应用，是超声流量计开始真正进入工业测量领域。1.2 超声波流量计的现状近 10 年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，基于新型探头材料与工艺的研究，基于声道配置及流动力学的研究，超声流量测量技术取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其潜在的巨大的生命力是显而易见的。在国外，以美国 Controlotron 公司和 Ploysonics 公司为代表的产品较多的采用数字信号

3、处理技术，如“同步调制”和 FFT 技术，他们广泛的采用以 DSP 为核心的数字处理电路，从而能够更快实时的处理超声信号，同时能够实现一些复杂的算法，如 Ploysonics 公司的DDF3088 型是该公司的新一代全数字化便携式多普勒流量计，它采用了数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号与噪声信号，抗干扰能力强，采用了高分别率的液晶显示，可以现场对信号进行多普勒分析。在测量方法方面有的利用改进的时差法，用以消除速度受温度的影响，还有将时差法与多普勒法的组合，如 Controlotron 公司研制的 480 型超声流量计，这样使得产品的实用范围更广。但由于国外的产品的价格比较高（每台

4、约为 510 万元左右） ，所以限制了在国内的大量使用。目前国内的厂家生产的超声波流量计虽然价格比较便宜，但总体性能差，主要用于测量比较容易的大管径管道中流体的测量。他们多采用的方法是时差法，以单片机为系统核心进行信号处理。但由于受单片机速度的限制，所以只能进行一些比较简单的算法，如通过计数来实现流速的计算。同时由于一般的时差法受温度的影响比较大，所以在精度上面就不会很高。如南京亚楠公司生产的 ZLC 系列流量计是国内率先采用多脉冲发射和接收宽带技术，并带有微机控制的新型超声波时差式流量计。近几年来由于 DSP 和超大规模集成电路技术的发展，以及以基于 DSP 为核心的数字信号处理电路技术日益

5、成熟和广泛使用，使得可以采用以DSP 为处理核心的超声波流量计来广泛取代国内的以单片机为核心的超声波流量计，从而可利用数字信号处理的一些技术来改善产品的测量精度，如 FFT、数字滤波、插值运算、相关运算，从而来提高系统测量的精度。通过这些改进使国内流量计的性能已达到国外的水平，从而能更好的为国民经济服务。1.2.1 超声波流量计的发展趋势在石油和天然气领域快速普及 最近几年超声波流量计市场的一切增长，几乎都是由于这种产品在石油和天然气领域销量的增加而带来的。超声波流量计在这一领域的销量比起以前将近翻了一倍。由于 AGA9 监护运输标准的推广，天然气的监护运输市场已经基本成形。在2003 年到

6、2005 年间，监护运输量增加了三倍多，而这一领域占超声波流量计销售的 5%。只有液体碳氢化合物监护运输的 API 和 OIML 标准在行业内得到推广，超声波流量计才能在这个领域普及。超声波流量计具有高精确度和低总体拥有成本 不论是从技术上还是从经济上看，超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实现很高的测量精确度。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的元件，因此几乎不需要维修。而且，它也不会阻挡或者减慢管道中气体或者液体的流动。它能够准确地测量液态石油气产品的宽频，而不需像机械型技术那样得到验证。高灵敏度使其可以检测到管道中的任何泄漏，并可以测量和补充各

7、种会影响监护运输领域中的测量准确度的变量。 亚洲和中东市场增长最大 亚洲和中东地区超声波流量计的增长将会是最大的。中国和印度将会在基础设施和新工厂上大举投资。中国能源缺乏，为了寻找推动经济快速发展的能源，将会对其石油和天然气基础设施进行改造，并建立连接俄罗斯及其它地区供油商的管道。而由于中东地区在石油和天然气生产中的地位，这一地区将仍然是超声波流量计供应商的沃土。这一地区亦将在数个大型发电及海水淡化厂上进行投资。相比之下，北美市场的增长则显得相对平淡，但由于这一地区在石油和天然气基础设施及工业自动化上的投资，北美市场将仍然具有可观的增长。1.3 超声波流量计的市场前景随着石油和天然气工业的强势

8、增长，以及行业对于现场设备技术的逐步接受，超声波流量计的全球市场总额将在今后 5 年内以 9.6%的复合年增长率(CAGR)增长。ARC Advisory Group 最近的一份报告指出，2005 年该市场总值为 2.75 亿美元，到 2010 年将超过 4.34 亿美元。亚洲和中东市场增长最大 ，亚洲和中东地区超声波流量计的增长将会是最大的。中国和印度将会在基础设施和新工厂上大举投资。中国能源缺乏，为了寻找推动经济快速发展的能源，将会对其石油和天然气基础设施进行改造，并建立连接俄罗斯及其它地区供油商的管道。而由于中东地区在石油和天然气生产中的地位，这一地区将仍然是超声波流量计供应商的沃土。这

9、一地区亦将在数个大型发电及海水淡化厂上进行投资。相比之下，北美市场的增长则显得相对平淡，但由于这一地区在石油和天然气基础设施及工业自动化上的投资，北美市场将仍然具有可观的增长。1.4 主要研究内容 本课题的任务是应用时差法测量流量。确立了系统的整体方案，在此基础上进行试验、调试，验证和改进设计方案。主要内容如下：（1）确立了系统的整体方案，这主要是在查阅国外流量计产品基本性能以及分析超声波流量计基本原理和项目指标的基础上，确立了系统以DSP为信号处理核心，并采用相关算法来计算流速的改进时差法方案；（2）硬件电路设计：CPLD采样控制系统；（3）程序设计，应用 CCS 软件，在 DSP 最小系统

10、上实现相关算法程序设计，进行实验测试。2 超声波流量计设计方案及分析2.1 超声流量计的分类超声波技术应用于流量测量主要依据是：当超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法，从而构成了不同原理的超声流量计，其大致可分为传播速度差法（包括：时差法、相位差法、频差法） ，多普勒法，相关法等等。2.2 超声流量测量的基本原理超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。超声波流量计一般由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其

11、发射并穿过被测流体，接收换能器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号，供显示和积算，这样就实现了流量的检测显示。2.3 传播速度差法传播速度差法是根据超声波在流动的流体中，顺流及逆流传播时的速度之差与被测流体流速之间的关系来求流速或流量的方法。按其所测的物理量的不同，传播速度差法又可分为(直接)时差法、相位差法和频差法三种。时差法就是直接测量超声波顺流和逆流传播的时间差，它适用于大、中口径管道及明渠流量的测量，但时差法流量计受温度的影响较大，流体温度变化对这种系统测量精确度的影响是不能忽视的，实验表明，在使用在机玻璃声楔的条件下，流体温度每变化 10，就会给测量增加 1%左右

12、的误差，并且声速的温度系数不是常数;另外，当流体的组成或密度变化时，也将引起声速的变化，从而影响测量精度。其发展方向是提高计时精度和设法降低温度对测量精度的影响。频差法是通过测量一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流量。频差法精度高、受温度影响较小，但受环境影响较大，工作不稳定。相位差法通过把时间差转换为相位差，避免了测量微小的时间差，可提高测量的精度，但受温度的影响依然很大。2.4 时差法测量原理及主要特点本论文研究的是基于时差法的超声波液体流量计，其管段内部结构简化图如图 1 所示，换能器 1，2 相对于管道轴线的安装角是 ，管径为 D，两个换能器之间的距离为 L，流体流动方向

13、如图所示：图 1 时差法测量流量原理图当流体以速度 u 流动时，超声波的实际传播速度 c 是声速 c0 和流体在声道方向上的速度分量ucos 的叠加，即：0cosu超声波信号在流体中顺流和逆流的传播时间分别为：t 顺 =t21 = = （2.1）0cosLuin(0cos)Dut 逆 =t12 = = （2.2）i*()式中：D 为一次装置管内径，L 为两个换能器之间的距离，C0 为超声波在静止介质中的传播速度，故：t = t 顺 t 逆 = （2.3）20cossin*()Du一般情况下，声波在液体中的传播速度 C0 在 1000m/s 以上，而多数工业系统中的流速远小于声速，即 u2 c

14、02，所以时间差可以近似简化为：t = t 顺 t 逆 = （2.4）20cosin*Du即：（2.5）20sincotuD体积流量表达式：（2.6）20sincotQAu式中：A 为管道的横截面积，u 为流体在管道内的流动速度。由上式可以看出，由于一次装置内径 D，换能器与轴线夹角 可以通过实际情况测量得到，所以当声速一定时，只要测的时间差t，就可以按式子（2.5）求得流速 u，进而由式子（2.6）求得流体的体积流量。时差法测量流量具有以下几个特点：a).由于时差法超声波流量计采用了精密的时差法检测，并有信号的自动跟踪，温度的自动补偿等先进的技术，因此它具有运行稳定，计量准确可靠，仪表的运算

15、和显示精度较高的特点。b).对被测介质来说，超声波流量计属于非接触测量，在安装过程中不损坏管路，可以满足工厂工艺生产用水不断流的要求，安装极为方便。c).在测量时，管道中没有节流器件，流体不存在压力损失，非常有利于节约能源。d).电子线路的集成度高，几乎不需要维护与修理，编程灵活简单，用户输入的数据为常用的原始数据，不需要经过人工的计算，省时省力。3.超声波信号延迟时间的相关估计超声波信号的延迟时间 TOF(Time of Flight)1, 2或 TDOA (Time Delay of Arrival) 3估计方法中，相关估计是一类精确的方法4-7。尽管有一些超声波测量应用了小波变换、HHT

16、 以及 FrFT 等分析理论与技术8-10,相关估计仍是 TOF 测量的基础。但 TOF 较长时，即使采用FFT 计算相关函数，较高的计算复杂性仍然阻碍其实时应用。其实，利用 TOF 估计中激励信号的一些特性可以简化相关函数计算。常用的激励信号有线性/非线性调频信号(LFM/NLFM)11、PRBS6, 12 及混沌调制信号 13, 14等。PRBS 及混沌信号的相关函数主副瓣差别明显，易于峰值搜索，但超声传感器是一种窄带器件，需采用调制方式进行传输14, 15，且每一位码元必须包含足够多的载波周期，以免起振与拖尾及信号群延迟的影响16, 17。但解调后信号的相关函数主瓣将被展宽。和 PRBS

17、 及混沌信号相比， LFM 信号虽然不易克服多传感器应用中的 Cross-talking13, 18，但可以基带传输，更重要的是其相关函数主瓣窄 11，一般为两个基带信号周期19 。就 TOF 估计精度及鲁棒性而言，相关函数主副瓣高度的差距只是稳定可靠测量的一个因素，主瓣宽度对测量的可靠性及鲁棒性也有重要影响。本课题提出一种采用离散方波 LFM(DRLFM)信号激励，用加减运算实现互相关函数的递推算法，以实现 TOF 的快速估计。文中首先根据超声波传播模型，分析 DRLFM 作为激励信号进行 TOF 估计的可行性，然后介绍互相关函数递推算法并分析其复杂性，最后用实验与仿真对算法进行验证。3.1

18、 TOF 相关估计这里以对射式超声波发收组件为例分析 TOF 的相关估计。图 1 是信号产生与传输的过程20， 、 及 为超声波发生、传输及传感环节的传递函数， 是激励信号，是换能器输出信号， 为传感器输出信号， 表示多换能器同时工作时的 Cross-talking13， 为其它噪声。上述各信号的频域形式分别为 及 。显然， 。G ( s ) T ( s ) S ( s )N ( s )Y ( s )n ( t )y ( t )txtutcCXU图1 TOF 估计中超声波信号的传输多数介质中，超声波的传输可以看成无畸变传输，即 ,其中 是增益， 是信号传输时间，所以 可以写成，(1)定义 的互

19、相关函数为，(2)如果 随机且 和 不相关，待测 TOF 就是 峰值点所对应的时间。由于 与基频相位差较小，且可以用稳定的系统误差来描述，因此可以用代替 来估计 TOF。可以导出，, (3)这里 是 的自相关函数， 表示 单位冲激响应 的自相关函数，由超声波)(sG换能器的特性决定。可以看出，对于具体的超声波换能器来说， 的时域波形取决于激励信号的自相关函数 。3.2 激励信号的自相关函数及频谱合理选择激励信号有助于稳定可靠地估计 TOF。图 2 是 63 位幅度为 1、周期为 127 的PRBS 信号及其自相关函数、PRBS 调制信号及其频谱。载波频率为 1MHz，每位 PRBS 包含8 个

20、载波周期，驱动信号帧长约为 0.5ms。可以看出，PRBS 自相关函数主瓣幅度很高，宽度为 0.016ms。图 3 是一帧 0.05ms 的 LFM 信号、自相关函数及其频谱。信号频率从 0.83MHz 线性增加到 1.2MHz, 中心频率为 1MHz。图 4 是与图 3 相对应的 DRLFM 信号及其相关函数与频谱，采样频率为 20Msps。从图 3(b)及图 4(b)可以看出，相关函数的主瓣很窄，第一副瓣高度约为主瓣高度的 46%，而其宽度却比 PRBS 调制信号窄得多，驱动信号的帧长也比PRBS 调制信号短得多。从频谱图上看，LFM 信号带宽略宽于 PRBS 调制信号，但仍在其带宽内，可

21、以高效率传输。由于 LFM 及 DRLFM 是连续渐变信号，起振与拖尾现象16的影响不大。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-101 (a) x(t) -1500-1000 -500 0 500 1000 1500 20000200400 (d) |X(f)| f (KHz)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-101 (c) x(t) t (ms)-0.05 0 0.05010002000 (b) rxx(t) 图 2 单位 PRBS 的自相关函数及其调制信号频谱, PRBS 周期为 127，载波频率是 1MHz (a) 63 位 PRBS； (b)PRBS 自相关函数；(c)

22、 PRBS 调制信号；(d)PRBS 调制信号的频谱0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-101 x(t) t (ms)(a)-0.05 0 0.05-2000200 rxx(t) t (ms)(b)-6 -4 -2 0 2 4 6050 |X(f)| f (MHz)(c)图 3 LFM 的自相关函数及其频谱 (a)LFM 信号；(b)自相关函数；(c) LFM 的 Fourier 变换幅度0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-101 x(t) t (ms)(a)-0.05 0 0.05-5000500 rxx(t) t (ms)(b)-6 -4 -2 0 2

23、4 6050 |X(f)| f (MHz)(c)图 4 DRLFM 的自相关函数及其 Fourier 变换模3.3 DRLFM 激励的超声波 TOF 递推估计3.3.1 计算方法给定离散激励信号 ， 是传感器x(n)(=0;1;N1)y(n)(=0;1;kN1;k1)的接收信号。 对 的互相关函数为，x(n)y(n)(4)rxy(n)=N1Xk=0x(k)y(k+n);可以导出， (5)rxy(n+1)=rxy(n)+r(n)其中，(6)r(n)=x(N)y(n+N)x(0)y(n)+N1Xk=0x(k)y(k+n1)而 ，图 5 是一帧幅度为 1 的 DRLFM 信号及其 ，可以看x(k)=x(k+1)x(k) x(k)出 中大部分为零,其它是 2 或-2。因此,式 中, 只x(k) N1Pk=0x(k)y(k+n+1)