文/裴新涌

流量計量儀表的現(xiàn)狀及趨勢

文/裴新涌

本文簡要介紹了當前發(fā)展最具代表性的兩種流量計的測量原理，即超聲波流量計和科氏質(zhì)量流量計，并綜述了兩種流量計量中信號處理方法的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，對信號處理方法的研究趨勢進行了展望。

流量計量；超聲波流量計；科氏質(zhì)量流量計；信號處理方法

流量計量是工業(yè)制造和國防建設(shè)中不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)，流量計量的可靠性、安全性、準確性，與我國的國防建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展、科學研究均有著十分密切的關(guān)系。在注重保護環(huán)境和節(jié)約能源的今天，越來越多的人已經(jīng)認識到了流量計量的重要性。隨著科學技術(shù)的日益進步和工業(yè)化程度的不斷提高，對流量計量的要求也越來越高，廣泛的測量參數(shù)和復雜的工作環(huán)境也要求科技工作者們不斷的改進現(xiàn)有流量計的技術(shù)性能或設(shè)計出新型的流量計，因此，流量計的研究和開發(fā)也受到了更為廣泛的關(guān)注。

1.流量計的測量原理

超聲波流量計通過檢測流體流動對超聲波脈沖的作用來測量流量，由超聲波換能器、電子線路和顯示系統(tǒng)等三部分組成［1］。常用的超聲波流量計檢測方法可籠統(tǒng)地劃分為頻域方法和時域方法，主要有：時差法、頻差法、相位差法、波束偏移法、多普勒法和相關(guān)法等。

時差法、頻差法和相位差法可統(tǒng)稱為傳播速度差法，主要是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播時間的不同來進行的計算，通過計算出時間差值來求取流體的速度和流量。

當發(fā)射器和接收器發(fā)生相對運動時，接收器感知的聲波頻率會發(fā)生變化，這個頻率的變化稱為多普勒頻移。

在流體垂直方向發(fā)射超聲波，如果流體靜止，則接收器的信號強度與發(fā)射信號強度沒有偏差，若流體流動，則超聲波束會發(fā)生偏移，波束偏移法就是通過測量偏移量的大小來測量流體流速的。

超聲波在流體中傳播時載有流速信息，同時管道內(nèi)也伴有干擾信號，相關(guān)法就是通過對超聲波信號和干擾信號進行相關(guān)運算，獲得相關(guān)函數(shù)，再利用相關(guān)技術(shù)來求得流體流速。

科氏質(zhì)量流量計以科氏力為基礎(chǔ)，通過檢測安裝在振動管兩側(cè)傳感器的輸出信號的頻率和相位差來測量流體的質(zhì)量流量［2］。科氏質(zhì)量流量計種類繁多、形狀各異，但其測量原理是基本一致的。常見的科氏質(zhì)量流量計有直管型、U型、S型等，均由一次儀表和二次儀表兩部分組成。一次儀表主要是指測量管、激振器和傳感器；二次儀表主要是指用于處理一次儀表輸出信號的變送器。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，科技工作者們不斷改進現(xiàn)有方法或采用新的數(shù)字信號處理方法來處理流量計信號，以期望提高流量的測量精度，滿足不同應(yīng)用場合的測量需求。其中，科氏質(zhì)量流量計的研究主要集中在信號處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計方面；超聲波流量計的研究除集中在信號處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計外，還集中在超聲換能器技術(shù)、單片機芯片設(shè)計等方面。歸納起來，超聲波流量計和科氏質(zhì)量流量計的信號處理方法主要有以下幾種：

（1） DFT頻譜分析法

文獻［1］首先采用Zoom FFT法來提高流速分辨率，能在不增加采樣點數(shù)情況下獲得較高的頻率分辨率，但運用多普勒法確定頻差時需進行峰值搜索，于是又結(jié)合運用卡爾曼濾波器來實現(xiàn)對頻率偏移量的準確估計。所提方法提高了流量的測量精度，但存在計算量較大的問題。

美國高準公司采用DFT頻譜分析法來處理流量計信號［3］，為了減小測量誤差，提高測量精度，針對非整周期采樣情況下，提出首先粗測，然后細測的頻率估計方法。在此基礎(chǔ)上，文獻［4］對該方法進行了改進，根據(jù)頻率跟蹤時間和頻率變化情況，給出一個頻率變化范圍，在該范圍內(nèi)搜索，可提高頻率估計精度，但該方法的實時性較差。

文獻［5］采用線性調(diào)頻Z變換法來提高頻率分辨率，通過在粗測確定的頻率范圍內(nèi)增加采樣點數(shù)，然后利用線性調(diào)頻Z變換法得到窄帶頻譜，其中最大頻譜值的位置點就是所求的頻率估計值。該方法提高了頻率分辨力和頻率估計精度，但頻率估計的是一段時間的頻率均值，也存在實時性較差的問題。

為了提高非整周期采樣情況下的估計精度，文獻［6］通過計算相鄰兩次DFT的差值來判定截斷誤差，進而修正和調(diào)整信號截取長度，使其滿足整周期采樣條件。該方法提高了頻率的估計精度，但需多次進行DFT計算，存在計算量較大的問題。

為了提高相位差的估計精度，文獻［6］采用了施加窗函數(shù)（漢寧窗）的辦法。然而，該方法仍然無法克服頻譜泄露的影響，針對非整周期采樣的情況，改善的效果也極為有限。

（2） 相關(guān)分析法

文獻［8］采用互相關(guān)法來處理流量計信號，該方法利用了有效信號和噪聲信號相關(guān)性小，以及各噪聲信號間互不相關(guān)的特點，增強了信號的抗噪性能，提高了流量計的相位差估計精度。相關(guān)分析法有著較好的噪聲抑制能力，但對于相關(guān)性較強的干擾信號，當信噪比較低時，相位差的估計誤差較大。另外，相關(guān)分析法也要求整周期采樣，當信號長度非整周期時，相位差的估計精度也較差。為此，文獻［9］在相關(guān)分析法的基礎(chǔ)上進行了改進，試圖采用插值法把非整周期長度修正和調(diào)整為整周期長度，以此來提高相位差的估計精度。

（3） Hilbert變換法

Hilbert變換法利用Hilbert變換的性質(zhì)，首先對被測信號做Hilbert變換，使其得到一個具有90°相移的信號，然后將變換后的信號與被測信號進行運算，可得到關(guān)于相位角的函數(shù)，兩路信號的相角函數(shù)相減即可得到相位差［10］。Hilbert變換具有瞬態(tài)特性，只產(chǎn)生相移特性的變化，變換前后信號的頻率和幅值不會改變，利用Hilbert變換前后的相位信息，能完整地反映出整個過程相位的變化情況，從而可實現(xiàn)相位差的動態(tài)估計。

（4） 自適應(yīng)陷波濾波法

文獻［11］提出采用自適應(yīng)陷波濾波的方法來處理流量計信號，同時設(shè)計了兩種方案，期望能改善頻率估計的精度和收斂速度，但存在計算量較大的問題。文獻［12］采用高斯-牛頓算法來試圖改善頻率的估計精度，但初始參數(shù)值的選取易受噪聲的影響。文獻［13］采用計算量較小、結(jié)構(gòu)更為簡單的格型陷波器進行頻率估計，提高了算法的收斂速度和短時估計精度，但長時跟蹤精度較差。文獻［2］提出采用由系統(tǒng)辨識方法而來的新式陷波器進行頻率估計，該算法短時頻率估計精度更高、去噪效果更好，但算法計算量較大。為了更好地兼顧頻率估計精度和收斂速度，文獻［14］率先提出運用反饋控制的思想，對陷波器的自適應(yīng)算法進行了改進，取得了較好的效果。國內(nèi)學者也借鑒該思想，對現(xiàn)有的各種陷波器的自適應(yīng)算法進行了改進，大幅提升了原有陷波器的特性，有效地克服了困擾當前影響自適應(yīng)陷波器應(yīng)用的難題。

3.分析與展望

頻譜分析法把信號從時域變換到頻域處理，常選用FFT算法，通過將信號從時域變換到頻域，求出其在最大譜線位置即為信號的頻率估計值，同時也可求出該位置的相位，兩路信號的相位相減即可求得相位差。由于信號截斷產(chǎn)生的能量泄露，使得頻率估計和相位估計的誤差較大，為提高估計精度，常采用插值或加窗的方法來進行校正。然而，插值法會增加算法的計算量，加窗法會降低頻譜的頻率分辨率，使得校正后的精度改善極為有限。導致頻譜泄露的根本原因是DFT計算窗的信號長度不是整周期長度。

相關(guān)分析法利用相關(guān)函數(shù)來描述兩信號之間的相似度，通過計算兩路同頻信號的互相關(guān)函數(shù)求解相位差。相關(guān)分析法有著較好的噪聲抑制能力，但當信噪比較低時，相位差估計誤差也較大。除此之外，相關(guān)分析法受非整周期采樣的影響較大，而現(xiàn)有方法并未真正克服非整周期采樣的影響，進而導致相位差的估計結(jié)果出現(xiàn)了較大的誤差。

Hilbert變換法可以實現(xiàn)動態(tài)相位差的估計，其不足之處在于：存在端點效應(yīng)，相位差的估計精度受噪聲和信號長度非整周期的影響較大。

自適應(yīng)陷波器兼具濾波和頻率估計功能，可以根據(jù)被測信號特點，自動調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)頻率的估計和跟蹤，是當前頻率估計方法的研究熱點。但自適應(yīng)陷波器初始參數(shù)值的設(shè)定較為敏感，使得陷波器的普適性較差。

綜合上述分析，本文認為流量計信號處理技術(shù)的發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：

① 研究不受是否整周期影響、算法更為簡單、頻率和相位差估計精度更高的頻譜分析法；

② 研究不受是否整周期影響、抗噪性能更好、相位差估計精度更高的Hilbert變換法；

③ 研究不受是否整周期影響、抗噪性能更好、算法更為簡單、相位差估計精度更高的相關(guān)分析法；

④ 研究結(jié)構(gòu)算法更為簡單、普適性更好的自適應(yīng)陷波頻率估計方法；

4.結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的不斷進步發(fā)展，對流量測量精度的要求也在不斷提高。由于國內(nèi)流量計的研究起步較晚，與國外現(xiàn)在的研究水平還存在著一定的差距，國內(nèi)現(xiàn)有的流量計檢測方法，不論是頻率估計方法還是相位差估計方法，大都存在計算復雜、計算量較大、計算精度和抗噪性能較差等問題，已不能滿足當前高精度流量測量的要求。為此，開展超聲波流量計和科氏質(zhì)量流量計測量精度的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，進而提出更精確的流量檢測方法是當前亟待解決的問題。同時，研究的頻率和相位差估計方法也可應(yīng)用于石油與天然氣工程領(lǐng)域的其它方面，如無損檢測、油料泵機組故障診斷等；除此之外，對雷達、電力、工業(yè)測量、故障監(jiān)測與診斷等領(lǐng)域，也具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

［1］賈惠芹，時文娟，馮旭東等.一種提高超聲波多普勒流量計測量精度的方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2015，2：33～35.

［2］涂亞慶，蘇奮華，沈廷鰲，等.自適應(yīng)陷波器的科氏流量計信號頻率跟蹤方法［J］.重慶大學學報，2011，34（10）：147～152.

［3］于翠欣，徐科軍，劉家軍.基于DFT的科里奧利質(zhì)量流量計信號處理方法的改進［J］.合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2000，23（6）：935～939，943.

［4］曾健，劉鳳新，簡燦琴等.用于科里奧利質(zhì)量流量計的數(shù)字信號處理方法［J］.計量技術(shù)，2007，（3）：3～6.

［5］林坤，劉鳳新，劉志剛.科里奧利質(zhì)量流量計數(shù)字信號處理方法的研究［J］.計量技術(shù)，2008，（6）：11～14，30.

［6］楊俊，關(guān)可，梁佳.DFT變換法在科氏質(zhì)量流量計相位差檢測中的應(yīng)用研究［J］.傳感技術(shù)學報.2006，19（6）：2654～2657.

［7］徐科軍，倪偉.一種科里奧利質(zhì)量流量計的信號處理方法［J］.計量學報，2001，22（4）：254～258.

［8］許會，汪洋，高松巍.基于相關(guān)法的超聲波流量測量的發(fā)射設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（7）：108～110.

［9］劉園珍.相關(guān)法超聲流量計的研究［D］.東華理工大學碩士學位論文，2012.

［10］肖樹妹，梅海平，錢仙妹等.基于希爾伯特變換的湍流隨機相位差解調(diào)算法研究［J］.光學學報，2011，31（7）：34～38.

［11］倪偉，徐科軍.一種改進的基于時變信號模型的科里奧利質(zhì)量流量計信號處理方法［C］.第五屆全球智能控制與自動化大會，杭州，2004：3787～3790.

［12］倪偉.科里奧利質(zhì)量流量計數(shù)字信號處理方法的研究［D］.合肥工業(yè)大學博士學位論文，2004.

［13］徐科軍，倪偉，陳智淵.基于時變信號模型和格型陷波器的科氏流量計信號處理方法［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：596～601.

［14］楊輝躍，涂亞慶，張海濤，李明.振動信號頻率跟蹤的反饋修正自適應(yīng)陷波器法［J］.振動與沖擊，2014，33（3）：145～149.

（作者單位：后勤工程學院）