一种用于湿气测量的超声流量计传播时间测量方法

1.本发明属于流量测量技术领域，涉及一种用于湿气测量的超声流量计传播时间测量方法。


背景技术：

2.在流程工业领域，气液两相流是一种常见的流动形式，当气相为连续相，液相为离散相且含量较低时，存在一种特殊的形式——湿气。根据国际标准化组织的定义，一般把体积含气率大于95％的气液两相流称为湿气。超声流量计因测量精度高、量程比宽、无压损等优点已广泛应用于干气流量的测量，其中传播时间的准确测量是保证超声流量计测量精度的关键。目前，干气下的传播时间测量方法有很多，如双阈值法、互相关法、模型法等，但这些方法应用于湿气声波信号的处理均无法获得较好的效果。究其原因，湿气中由于液相的存在使得管道内流动复杂，根据体积含液率的不同会出现分层流、波状流、环状流等流型，这不仅会造成超声波传播的严重衰减，更使得声波信号波动剧烈从而产生错波，无法获得稳定的传播时间。


技术实现要素：

3.本发明提供一种适用于湿气测量的超声流量计传播时间测量方法，通过该方法可对湿气中不同体积含液率下的超声信号进行处理，有效避免错波的发生。技术方案如下：
4.一种用于湿气测量的超声流量计传播时间测量方法，包括下列步骤：
5.步骤一：得到归一化后的超声波接收信号：将气体超声流量计固定在湿气测量管路上，采样超声波接收信号，搜索所采集的超声波接收信号的最大峰值，对各采样信号点ui按最大峰值进行归一化处理，得到归一化后的超声波接收信号u
ni
。
6.步骤二：求得新的平均信号：设定连续时间段，对各个连续时间段内的归一化后的超声波接收信号u
ni
在时域上取平均，求得新的平均信号
7.步骤三：提取超声波接收信号的主包络：搜索步骤二所求得的平均信号的所有峰值点，找到峰值点中所有极小值点；选取一段采样点区间，设定阈值，依次对该区间内相邻两峰值点连线的斜率进行判断，当斜率由负变正，且两个斜率绝对值均大于所设定的阈值时，此处所对应的极小值点称为主包络与第二包络的交点；将该交点之后的所有采样点值置0，与该交点之前的所有采样点值一起构成主包络信号，用于后续互相关运算。
8.步骤四：确定基准信号：按照步骤一、二、三对静态下超声波接收信号进行处理，得到静态下超声波接收信号的主包络信号，计算声程与声速之比获得理论传播时间，将此静态下超声波接收信号的信号时间序列按照理论传播时间平移至时间零点，作为互相关运算的基准信号。
9.步骤五：互相关运算：按照步骤一、二、三对湿气流动下超声波接收信号进行处理，得到湿气流动下超声波接收信号的主包络信号，将此信号与步骤四确定的基准信号进行互相关运算，则互相关函数最大值所对应的采样点序号n即与超声波传播时间相对应。
10.步骤六：计算超声波传播时间。
附图说明
11.图1提取主包络信号示意图
12.图2静态信号平移获得基准信号示意图
具体实施方式
13.以dn50双声道气体超声流量计为例，结合技术方案中的步骤方法，给出各步的参数设置和实施方法。测量系统使用msp430fr6047单片机作为主控制器，用于产生激励超声换能器的信号，同时控制高速模拟切换开关实现两声道的切换，使用ni6110高速数据采集卡对放大滤波后的超声接收信号进行采样，采样频率为4mhz。具体步骤如下：
14.步骤一：归一化。
15.在单片机输出激励信号的同时，触发高速数据采集卡对信号进行采样，当采满6000个点后停止采样。各采样点排序后，找到最大值u，各采样点ui按u进行归一化处理：
[0016][0017]
i为采样点序号，这里i＝1,2,
…
,6000。
[0018]
步骤二：统计平均。
[0019]
对步骤一归一化后的200个超声波接收信号按照各采样点分别求平均，得到一个新的平均信号
[0020][0021]
m为接收信号序号，k为接收信号个数，这里k＝200。
[0022]
步骤三：提取接收信号主包络。
[0023]
如图1所示，根据步骤一、二得到了一个归一化后的平均信号搜索该信号6000个采样点的所有峰值点，根据相邻峰值点连线的斜率由负变正，可以找到峰值点中所有极小值点。
[0024]
将这6000个采样点粗略划分为三部分，其中第2000个采样点之前的信号多为超声换能器感受到的噪声信号，其极值点无意义。第2000～4000个采样点信号中包含了换能器从接收到声波信号开始起振、能量累积、自由衰减的全过程。而第4000～6000个采样点信号主要为声波在换能器背衬多次反射产生的余振信号。故对i∈[2000,4000]区间内的所有极值点进行再搜索，相邻峰值点连线的斜率由负变正，且两斜率绝对值均较大时，该处所对应的极值点即为主包络与第二包络的交点。
[0025]
将该交点后的所有采样点值置0，得到主包络信号。
[0026]
步骤四：确定基准信号。
[0027]
在测量湿气介质前，需对静态下纯空气时的超声接收信号进行采样，对该信号按照步骤一、二、三进行处理，从而获得静态下的主包络信号(如图2)。
[0028]
根据dn50气体超声流量计的实际声程以及空气中的理论声速，可以计算静态下声传播时间。按照4mhz的采样频率进行折算，可以得到该传播时间所对应的采样点数。经计
算，该声道传播时间所对应的采样点数为2400。
[0029]
将图2中的静态主包络信号向前平移2400个点，得到基准信号。
[0030]
步骤五：互相关运算。
[0031]
开展湿气不同气相表观流速、体积含液率下的实验，可以获得各工况下的超声接收信号，对各信号按照步骤一、二、三进行处理，将流动状态下的超声主包络信号与步骤四确定的基准信号进行互相关运算，互相关函数最大值所对应的采样点序号n即与超声波传播时间对应。
[0032]
步骤六：计算超声波传播时间。
[0033]
根据信号采样频率4mhz，各采样点时间间隔为δt＝0.25us，则超声波传播时间t为：
[0034]
t＝n
×
δt。
[0035]
为了验证本方法用于湿气下超声流量计流量测量的准确性，设计了与干气下常用双阈值法的对比实验，借助labview控制ni6110数据采集板卡对气相表观流速为10m/s，体积含液率分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、2％、3％、4％和5％九个湿气工况下的超声信号信号采样，将采集得到的接收信号分别用双阈值法与本发明的基于统计平均的主包络互相关法计算超声波顺、逆流传播时间，代入超声流量计算公式，得到流速计算结果如表1所示。
[0036]
表1两种方法在不同体积含液率下的测量结果
[0037][0038][0039]
理论上，同一气相表观流速下，随着体积含液率的增大，所测气相流速应为逐渐增大趋势。表1中，双阈值法在体积含液率大于等于1％时呈现出流速减小或流速基本不变的规律，与理论分析不符，这是由于高含液率下超声信号衰减严重从而造成错波。而本发明提出的基于统计平均的主包络互相关法，结果具有正确的趋势，且通过计算各工况下流速测量结果的重复性，均在0.5％以内，说明本发明能够解决湿气下超声流量计错波的问题，且具有较高的准确性。