传播时间法超声波流量计测量近五十年的发展情况，主要从信号处理的角度,回顾了传播时间法超声流量计近五十年来的技术进展,分别评述了时差法、相差法和频差法中经典的检测技术,重点介绍了近年出现的一些新颖测量方法。这些新方法既有基于*微电子工艺的测时,也有从雷达系统借鉴而来的脉冲压缩技术,还有利用时相域分析的信号处理方法等。*后预测了超声流量计的发展趋势。
超声流量计近几十年的迅速兴起在于其相对传统流量计(如孔板、涡轮等)有以下优点:非接触式测量;无可动部件,维护方便;适于大管径测量。超声流量测量现已广泛应用于工业、医学和民用等多个领域,与此相关的研究也逐年增加。国外每隔一段时间就会出现一些综述[2~5],评述其时超声流量测量的技术进展,国内虽有不少文献介绍超声流量测量原理及应用,但有关信号处理技术进展的文献相对较少。
传播时间法是当前超声流量计中应用*广泛、精度*高的一种方法,其原理如图1。声信号沿顺、逆流方向的传播时间差在马赫数(V/C)远小于1的情况下,与流速呈线性关系,此时间差可直接计量,也可转换为相角差或频差,相应的测量原理分别称为时差法、相差法和频差法。
影响超声流量测量精度的因素很多[6,7],本文就信号收发处理技术方面,回顾并讨论了上述三种测量原理近五十多年的进展,并以此预测超声流量计发展趋势。
2 时差法
时差法直接计量超声信号顺、逆流方向的传播时间及时差,从而得到流速,其计算式如下:
如图1(a),设*以45°角Z形安装,管径为150mm,介质为空气,流速为0. 1m/s,声速为340m/s,则可计算得顺流传播时间623.788 0μs,逆流传播时间624.047 5μs,时差259.5 ns。若声速更高(如介质为液体)或流速更低,则时差为几十甚至几个纳秒。可见,时差法本质是求两个数量级相对较大而数值相近的时间量之微差,若用脉冲计数测量,需用高分辨率的标准时钟。分辨率和精度是两个既联系又区别的概念,高分辨率是高精度测时的必要条件,另一必要条件则是**的启停时刻定位。随着电子技术的进步,高精度计时的电子器件有很大发展,启停时刻定位更为重要。超声流量测量中,发射信号一般是信噪较高的规则波形(正弦或方波等),计时启动时刻易确定。而接收时,由于*的谐振特性及信道的噪声干扰,信号到达时刻的定位是比较困难的,也是领域内长期研究的一个课题。
2.1 门限电平法
门限电平法是一种确定信号到达时刻的检测方法,后面介绍的频差测量原理中也常用门限法接收信号。如图2所示,门限电平原理可概括为“前沿触发定时”,即预先设定一触发电平,当接收信号幅值达到此电平时触发并检测波形的特征点,以此作为信号到达时刻,*后通过修正特征点引入的固定偏差得到传播时间。如图2中的特征点选为触发点之后的**负过零点,则需减去2个信号周期的固定偏差。传播通道的衰减作用和噪声干扰通常导致超声信号形状畸变,故特征点一般选择那些被认为不受波形变化影响的位置[8],如波形峰值点或过零点等。
门限法的显著缺点是:由于衰减作用和流动噪声的干扰,当管道中介质流速、成分、温度和压力等参数变化时,接收信号的幅值波动很大,而阀值电平为一预设的固定值,容易发生误触发或不触发。虽然使用自动增益控制电路(AGC)可有效地压缩信号幅值动态范围[9],减少误触发,但仍需对门限法改进以修正其原理上引入的系统误差。
Bradshaw等[10]提出的中心能量法,不以脉冲前沿触发,而是选择一个能量中点,接收信号起始点到此中点的积分恰好等于该中点至信号结束时刻的积分。这种方法可获得较高精度的前提是,噪声在信号频带上有尽量均匀的功率谱。
积分门限触发技术出现在Wallace等1985年的砖利中[11]。接收信号先经过半波整流,其幅值达到触发门限后,开始对一电容充电,当电容两端电压增至积分门*启动过零检测。由于积分门限可设置为对小信号不敏感的值,即使接收信号起始周期达不到触发门限而淹没在噪声中,也不会影响测量结果。此技术成功应用于呼吸系统的动态气体流量测量[12],有效地减小了幅值波动引起的误差。
Eck[13]在接收机中引入信号“质量”判断机制,如果信噪比达不到预设值,则产生一个标记信号,系统据此标记不处理或用其它方法处理本次接收信号以避免误触发或不触发,其信号质量判断环节由比较器和触发器等构成。这种思想一直延续至今,发展成为多决策标准和多处理技术的系统。如Koba-yashi等[14]就以信噪比、峰值变化率、顺逆流峰值比等指标作为决策标准,满足指标的信号继续处理,否则丢弃;又如文献[15]研制的超声流量计中引入一“纠错脉冲发生器”,当接收信号幅值波动使得触发位置超前或滞后一个超声波周期时,会产生不同数 目的脉冲作为区分“标记”,处理器根据这个标记对测量结果进行相应修正;再如2006年一项砖利[16]中描述的测量系统在信噪比较高时用相关法,较低时用积分门限触发技术。丰富的先验知识是准确选择信号质量指标的关键, Suginouchi等[17]设计了一种基于接收信号幅值与传播时间关系之先验知识的过零检测器,以修正测得的传播时间。随着对超声流量测量机理的深入研究,对信号质量判断指标的选择将更加科学合理。
2.2 时间测量
脉冲计数是超声流量计中常用的时间测量技术,其测时分辨率为一个时钟源周期,但超声信号传播时间不一定是时钟源周期的整数倍,因此会引入计数量化误差。高分辨率测时不能仅靠标准时钟源频率的提高。因为:①稳定性优良的高频时钟源不易获得;②与之匹配的高速电子器件也是一个难题。Bowman等[18]在1977年设计了一种类似于千分尺微差测量原理的测时系统,以两个稳定而相近的标准频率之差作为*小分辨基准,测时分辨率达50 ps,这就提供了一种利用不太高的时钟频率获得高分辨率测时的方法。其后,Chande等[19]将此技术做了一定改进并应用于超声流量测量,使用的两个基频在100 kHz左右,获得了1.4μs的分辨率,在其实验条件下,空气介质的*低可测流速为0.116m/s。文献[20]使用的两个基频分别为10 kHz和10.1 kHz,*小分辨率可达1μs。
另一时间测量方法[21]出现在数字电路逐渐代替模拟电路成为主流的时期,属于一种过渡技术,采用模数混合电路:传播时差主部,即整数倍时钟源周期的部分仍使用脉冲计数方式测量,而残部,即分数倍时钟周期的部分则用一恒电流模拟积分器测量。近年来,微电子技术和工艺迅速进步,出现了许多高速芯片和新的时间测量技术。射极耦合逻辑门(ECL)中的BJT(三极管)与TTL逻辑电路中的不同,工作在非饱和状态,因此具有很快的速度,平均传输延迟时间可在2 ns以下。文献[22]在呼吸流量超声检测系统中使用的MC10E137就是一种高速ECL工艺的8位计数芯片,其计数频率可达1. 8~2.2GHz,缺点是功耗较大,并需配置ECL电平转其它电平的转换器。另一种较新的时间测量方法称为数字延迟线技术(DL),由Rahkonen等[23]于1993年提出,其原理如图3所示:在延迟线中,每两个基本的CMOS反向门组成一个延迟单元,制造工艺保证每个延迟单元具有固定且相同的延时。起始脉冲沿延迟线传播,当终止脉冲来到时,经过若干延时单元到达相应抽头处的起始脉冲信号被记录入寄存器,由此可测得时间。在当时的工艺水平下,分辨率可达0.1~10 ns。而据文献[24]介绍的基于DL技术的高精度时间数字转换模块TDC-GPII,在500 ns~4ms的测量范围内,其*小分辨率可达50 ps,用于超声流量计时,测量结果波动不超过2 ns。
2. 3 相关法
这里所说的传播时间式超声流量测量中的相关法,与基于超声传感器的互相关流量计不同。前者对发射和接收的确定信号作相关运算求得互相关函数,其峰值所对应的时标即为传播延时,后者则计算上下游平行安装的两对换能器测得的流动噪声间的互相关函数[25]。相关接收及延时估计源于雷达技术,至今已有相当成熟和完善的检测估计理论,由于研究领域众多,在此仅讨论与超声流量测量有关的三个主要方面:
(1)基准信号。测量系统中,发射换能器端的超声信号无法直接获得,若接收信号(激励电信号与换能器脉冲响应的卷积)与激励电信号直接相关,换能器的频率特性可能影响互相关函数的峰值位置。Brassier等[26]通过“回声法”获得已知标准延时的基准信号,在数字示波器上将顺、逆流接收信号分别与基准信号相关,测得相应的传播时间,然后又将这两个互相关函数作二次相关测得传播时间差。
王铭学等[27]也采用了这种回波技术获得基准信号,在相关算法效率方面作了进一步研究,并通过DSP和CPLD等硬件实现。
(2)峰值搜索。相关函数峰值对应的时标为信号传播时间,分辨率由采样频率决定,*坏情况是函数峰值落于两个采样点中间。选择峰值点附近的几个点作抛物线插值是常用的方法之一。Boucher等[28]研究表明,抛物线拟合得到的峰值是一个有偏估计,期望与方差取决于延时量落于采样点间的位置(落于中点时误差*大);Moddemeijer[29]则建议在抛物线拟合时使用相关函数在某个域的变形,使相关函数在这个域上有类似抛物线的形状,以获得偏差较小的估计值。Cabot[30]1981年提出了一种新的思想,从理论上将搜寻相关函数峰值问题转化为其 Hilbert变化的过零点检测问题;其后,Holm[31]将FFTPruning算法用于Hilbert变换和插值计算,大大提高了运算效率; Mandard等[32]在其相关法超声流量测量系统中,对互相关函数峰值搜索和Hilbert变换过零点检测这两种方法做了仿真研究,结果表明,在信噪比为50 dB的情况下,前者平均误差为10-2T,而后者为8×10-4T,T为采样周期。
(3)激励波形。相关接收技术测得的时间参量在平稳白噪声背景下是一个无偏估计量,其*小均方差存在一个下界———克拉美-罗界。经证明,传播延时估计量的克拉美-罗界与信噪比及信号的有效带宽有如下关系[33]:
式(3)表明,提高信噪比,增加信号的有效带宽,可减小时延估计量的均方差下限。然而,简单信号(如正弦波或单脉冲等)的时域持续时间(关系到信噪比)和频域宽度(关系到有效带宽)不可能同向增加,因此获得大的时宽带宽积,就要采用较复杂的信号形式,如脉冲压缩码[33]。
早在1988年, Jacobson等[34]基于相关函数旁瓣*小的原则选择了11位巴克码,对超声信号进行二相编码调制,并结合相关法测量传播时间。随后Mylvaganam等[35]使用线性调频LFM信号和连续波相位差法结合的技术实现海上平台火炬尾气的超声流量监测,流速范围可达0. 3 ~80m /s。Tanisawa等[36]也在超声流量测量中使用了线性调频激励,认为变化的瞬时波长可使声场稳定,从而减少驻波和反射波的影响。近年来,复杂激励信号在超声测量中的应用逐渐增多,关于其机理的研究也相继展开。如Nowicki等[37]对各种脉冲压缩编码超声信号的声场特性 用水听器进行了测量,并与简单脉冲激励相比较,发现脉冲压缩与短脉冲信号声场分布相似,更能有效抑制距离/时间旁瓣;随后, Nowicki等[38]就*带宽对编码相关系统的性能影响展开研究,结果表明,编码带宽在换能器带宽以内时,相关器输出信噪比要高于带宽不匹配时的情况,而分辨率只有较小损失。
尽管数字相关系统一般要经过“AD采样-相关运算-插值拟合-峰值搜索”的过程,计算量相对较大,但在现代DSP理论和技术水平下已不再是难题,因而相关法已广泛应用于超声实时流量测量中。
3 相差法
相差法通过检测顺、逆流接收信号的相位差测流量,其流速计算式如下:
相差法系统中的核心器件是鉴相器,在其工作范围内接近线性,所以可以获得较高的测量精度。由于一般鉴相器的动态范围为(-π, +π),当顺、逆流接收信号相差超过一个波长即2π时,存在相位模糊的问题,因此相差法局限于小管径应用。为解决相位模糊问题,Gutterman[39]提出了一种双频激励技术,其原理如图4。在Δt 存在相位模糊,而Δt >Tm时存在相位模糊。这种 双频激励的方法将不发生相位模糊的范围,从单频激励系统的一个周期扩展到了双频激励系统的一个拍频(频差)周期。若两个频率比较接近而且稳定,则去模糊范围可大大提高。
鉴相器在整个(-π, +π)的范围内测量相位,为了提高相位检测的精度, Pavlovic等[40]提出一种脉冲相位法,将传播时间测量分为相差粗测和相差细测两个步骤。粗测使用脉冲计数方式,除了获得相位差初值,还确定传播时间中整数倍标准时钟的部分;细测时,依据粗测所得的相位初值,从精细化相位后的标准脉冲列中选择一列参考信号与接收信号鉴相比较,从而在较小的相位尺度下求得更准确的对应于传播时间中分数倍标准时钟的部分。文献[40]中选择8列精细化相位的标准脉冲列,每列脉冲相位差均为45°(优良相位分别为0°, 45°,…,315°),若粗测的接收信号相位为242°,则选择优良相位为225°的标准脉冲列与之鉴相,测得**的相位差17°。其实验表明,基于此工作原理的超声流量测量系统(工作频率为2. 2MHz),*小分辨率达。
Roosnek[41]理论阐述了一种新的基于时相域的信号处理方法,用于估计超声回波这类典型窄带信号的传播时延。先用Hilbert变换对接收信号进行正交处理,获得信号的解析形式(复信号),然后对解卷绕的相角进行*小二乘拟合得到时延估计的偏差值。时延的估计值通过复信号包络峰值对应的时标求得,与偏差值相加即为传播时间。Kupnik等[42]将此方法应用于内燃机尾气的超声流量测量,相角没有解卷绕,而算法中为确定信号到达时刻进行有效峰值标记时,由于采用的是经验法则判定,存在一定误差,系统整体精度为1.79%。
4 频差法
频差法,又称鸣环法,通过测量顺、逆流超声脉冲的循环频率差获得流体流速。鸣环法思想在上世纪20年代末[43]就被提出,但限于电子技术水平,直到50年代后才应用到超声流量测量[44]。如图1,换能器A发射超声脉冲,经流体介质传播,到达接收换能器B,整形处理后再次触发换能器A产**射信号,形成一个声循环过程,这一循环频率即为顺流声循环频率;同样,换能器B作为发射,换能器A作为接收时,存在一个逆流声循环频率。在其它延时因素影响较小的情况下,顺、逆流的声循环频率差与流速成正比:
频差法也需要确定接收信号的到达时刻,故2.1节讨论的各种门限电平法同样适用,相应的触发误差也存在,Delsing[45]对此设计了改进的算法用于修正触发误差。另外,式(5)是经过近似的,若近似条件不满足,如顺、逆流声回路延时不对称且不可忽略,声路中有反射波干扰,或介质温度快速变化等,就会引入很大误差[46]。
使频差法测量有本质飞跃的是锁相环PLL技术的引入。其原理是通过接收与发射信号间的相位偏差,控制内部压控振荡器VCO的振荡频率,当环路处于相位锁定状态时,VCO的频偏(VCO输出振荡频率与其固有频率之差)与信号的传播时间成比例。如图5所示,锁相环输入是经过了一定传播延时的接收信号,输出为VCO振荡频率F1(F2),此频率直接或经N分频后分别输入换能器驱动和鉴相器。当环路处于锁定状态时,两VCO的振荡频率分别是顺、逆流传播时间的倒数,两环路的振荡频差与流速呈线性关系。可见,锁相测时技术利用反馈控制,根据传播时间(流速)不同自动调节振荡频率,使得传播声道中的超声信号恰为整数个波长;同时,通过“时差—相差—频差”的转换获得较高的测量精度。然而,当量程较大时,传播时间变化范围大, 对应VCO的频偏也大,这就要求锁相环有较宽的同步带,*有较平坦的频率响应。为解决该问题,Redding[47]设计了一种附加调频功能的锁相环路,使用较低的VCO振荡频率作为调制波,*的激励频率仅作为载波,大大降低了对换能器带宽的要求,扩大了量程。实际上,从上世纪40年代提出由模拟分立器件构成的锁相环,到当今各种高性能集成全数字锁相环、甚至软件锁相环[48]的出现,其带宽和频率稳定性等指标在超声流量测量应用中已不是问题,锁相频差测时精度提高的关键在于适合不同应用场合的高性能宽带换能器。随着各种*工艺和材料研制的新型超声传感器的出现,锁相频差法流量测量系统的精度必将进一步提高。
5 超声流量测量发展趋势
5.1 *信号处理方法
信号处理理论日益丰富,技术水平也不断提高,未来超声流量测量不会仅**于在某单个域中进行信号分析,而是在各种复合域中处理信号,提取含有同上等速信息的多个特征参量,并尽可能准确地从中估计流速。如第3节中用信号复包络和Hilbert变换求传播时间的方法,就是一个时相域结合的例子。
5.2 相关领域技术移植
超声除了用于流量测量,还广泛用于测距、无损检测和医学成像等领域,传播时间的**测量往往是这些应用的共同目标,因此可以借鉴相关领域的*,如Gan等[49]使用的扫频相乘法(SweptFrequencyMultiplication),Cowell等[50]提出的五进制线性调频法(Quinary LFM)等。另外,雷达系统与超声系统有相似的工作过程,其回波信号都是典型的窄带信号,因此雷达领域*和成熟的技术也可移植,如2.3节中介绍的脉冲压缩技术就已广泛地应用于各种超声检测系统中[51,52]。
5.3 宽带超声测量系统
上述讨论的各种信号处理技术无疑要求系统具有一定的带宽,而整个超声测量系统带宽的瓶颈在于*。目前广泛使用的压电换能器带宽一般较窄,一些学者在流量测量中已采用静电式换能器[53],不仅能提供较大的带宽,在较高温度下也可正常工作(压电型存在居里点,超过后压电效应消失或减弱)。
5.4 多参数测量
超声流量测量中,通过顺、逆流的传播时间可以计算声速。而声速是一个受各种介质参数如温度、密度、比热和成分等影响的物理量,包含了多种信息。因此,测量流量的同时还可测得声速,继而根据声速与其它物理量的函数关系,间接测得其它多个参数。如文献[54]就通过检测声速变化,监控半导体气体成分的比例以控制生产。
5.5 特殊应用
超声流量测量非接触的优势使得其迅速发展,遇到的应用场合及介质流型也越来越复杂,就需要研究相应的测量技术克服这些特殊应用中的问题。如Kupnik等[55]应用背景是内燃机排放尾气,温度*高达450℃,气流脉动频率1. 5 kHz,对此研究了可变脉冲重复频率技术(Adaptive Pulse RepetitionFrequency)以克服气流脉动引起的误差。
6 总 结
本质上讲,超声流量测量是一个通过换能器耦合的电声综合系统,超声信号的发射和接收处理一般通过电子电路实现,其性能用信噪比、分辨率等电学指标描述。文章从信号收发和处理的角度,回顾了传播时间法超声流量测量近五十年来的发展情况,详细介绍了国内外比较新的测量原理和技术。可以认为近年来时差法的研究比较活跃,相差法在解决了相位模糊问题后,也出现了一些新的测量方法,频差法简单直观,因此原理上的进展相对缓慢,主要依赖于电子技术水平的提高。文章*后预测了超声波流量计测量未来一段时间的发展趋势。
