安徽职业技术学院机电工程学院，安徽 合肥

收稿日期：2021年9月28日；录用日期：2021年10月28日；发布日期：2021年11月5日

摘要

本论文利用超声检测流量的原理，结合改进的算法，采用基于自适应滤波器的噪声消除技术，从而将信噪比太低的微弱的有用信号从噪声干扰所淹没的环境中检测出来，达到提高接收信号信噪比质量的目的，为更好地测量受环境影响较大的气体和液体。超声波流量计是非接触式的，不受流体物理性质与化学性质的影响，在工业检测方面应用广泛，在天然气工业领域具有广阔的应用前景，超声流量计应用LMS算法提高了测量的精度和在恶劣环境下信号的检测能力。

关键词

超声波流量计，检测，噪声抑制，自适应滤波器

Study on Noise Treatment in Ultrasonic Flowmeter

Yan Gao, Jisheng Hu, Xiaodong Qian

School of Mechatronic Engineering, Anhui Vocational and Technical College, Hefei Anhui

Received: Sep. 28^th, 2021; accepted: Oct. 28^th, 2021; published: Nov. 5^th, 2021

ABSTRACT

In this paper, the principle of ultrasonic flow detection, combined with the improved algorithm, and the noise elimination technology based on the adaptive filter are used to detect the weak useful signal with too low a signal-to-noise ratio from the environment submerged by noise interference. The purpose of improving the signal-to-noise ratio quality of the received signal is to better measure the gases and liquids greatly affected by the environment. The ultrasonic flowmeter is non-contact and not affected by the physical and chemical properties of the fluid. It is widely used in industrial detection. It has a promising application prospect in the field of the natural gas industry. The application of LMS algorithm in ultrasonic flowmeter improves the measurement accuracy and signal detection ability in harsh environments.

Keywords:Ultrasonic Flowmeter, Detection, Noise Suppression, Adaptive Filter

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

在人们日常生活和工业生产过程自动化中，流量是需要经常测量和控制的参数之一 [1]。而随着时代发展，需要测量的流体媒质种类不断增多，检测的对象从层流到紊流、从单相流到多相流。人们根据不同测量对象的物理性质，利用不同的物理原理和规律，设计制造出各种类型的流量测量仪器，特别是超声波流量计 [2]，因为是非接触式的，不受流体物理性质与化学性质的影响，在工业检测及生产或生活中的油、气、水等资源的计量和工艺流程的控制中广泛应用，实现了工业生产过程的自动检测和控制。同时，伴随科学技术的发展，原有的流量测量手段不断得到改进和加强，使得流量测量无论从测量对象的广泛性、工作条件的多样性，及测量的范围和测量精度上来说，都实现了大的跨越，流量计在过程控制检测仪表中的重要性不断得到加强。

2. 国内外研究概况

早在40年前，超声波流量计就已经研制出现，1963年首台工业应用样机由日本的Tokyo Keiki公司研制成功，该公司是后来成立的东京Tokimec公司的前身，1972年，纽约的Controlotron of Hauppauge公司率先成为第一家生产和销售超声波流量计的美国公司。二十世纪70年代后期和80年代初期，美国的Pa nametrics of Waltham公司和法国的Ultraflux of Poissy Cedex公司先后开展了超声波流量计测量气体流速的研究，气体流量计开始出现。我国为了适应西部天然气开发，满足西气东输工程的要求，于2001年编制了GB/TR-18604《用气体超声波流量计测量天然气流量》的国家标准。同时为了验证该流量计的性能，西南油田分公司在华阳天然气流量测试中心，对其性能进行了系统测试，为今后我国天然气领域流量计的推广提供宝贵经验。

新的电子技术和信号处理技术日趋发展，世界能源供应日益紧张，人们在不断寻求精度高，适应性强的流量计。超声流量计出现显然有着更多更好的性能特性，随着技术不断更新，应用范围不断扩展，应用越来越广泛。我国目前所使用的超声流量计约占世界使用量的5%，目前建设中的新疆南至上海的西气东输工程，选择了口径为DN 250~300 mm的超声流量计，超声流量计在天然气工业领域中应用前景看好，不过为了获得更理想的测量，超声流量计的使用仍有一些实际的问题需要解决和优化。

3. 超声波流量计测量原理 [3] [4]

使用超声波，让其在流动的媒质中传播，相对于固定坐标系，超声波速度与在媒质中的传播速度是不同的，其变化值与媒质流速有关，因此根据超声波的速度变化可以求出媒质的流速。如图1超声波测量流速示意图所示，在流体媒质中分别设置T1和T2两个超声波发射器，在它们相同距离处分别安装两个超声波接收器R1和R2，这两对发射器和接收器组成两个通道，T1和R1组成顺流通道，T2和R2组成逆流通道。当流体速度V为0时，即处于静止状态，两个通道的超声波速度相同，接收器R1和R2所接收到的信号没有差别；当流体速度V不为0时，两个通道的超声波速度相应发生变化，设C是相对于被测媒质静止中超声波速度，第一个通道是顺流，则超声波速度变为C + V；第二个通道是逆流，超声波速度变为C − V。两个接收器所接收的信号就产生与被测媒质流速有关的数值了。

图1. 超声波测量流速示意图

通常可采用三种不同方法来确定媒质流速：时间差法，相位差法和频率差法。以时间差法为例，若发射器和接收器距离为D，即只要测量超声波顺流和逆流传播的时间差 $\Delta t$，就可以得出流体流速：

$v=\frac{c^2}{2D}\Delta t$ (3-1)

不论哪种方法，超声波流量计都是由两大部分组成：测量变换器和电子电路。测量变换器包括超声波发射器、超声波接收器，即为超声波换能器；电子电路包括超声波发射接收电路、信号处理电路等。超声波流量计发射超声波信号，接收超声波信号，对信号进行信号处理得到的媒质流速。

超声波流量计在测量时，被测介质的温度或者浓度的变化；信号处理电路的参数不对称，包括机械尺寸、电气特征不对称；流速断面的实际流速分布与理想流速分布不一致；超声波换能器发出和接收超声波在声道中多次反射等产生的误差会影响测量值，利用数字信号处理技术对接收到的信号进行处理，以达到抑制噪声，提高信噪比的目的。下面介绍了噪声消除技术在超声波流量计中应用

4. 噪声消除技术在超声波流量计中应用

4.1. 基于小波变换 [5] [6] [7] 的噪声消除技术在超声波流量计中应用

超声波流量计大多工作在复杂的噪声环境中，比如工业工程控制、石油天然气的开采和输送、化工制造行业等等，因此，流量测量过程中必然存在一定程度的噪声干扰，传统消除技术提出的基于小波变换的噪声抑制技术，小波变换作为一种新的信号分析和处理技术，具有多分辨率，多尺度的特点，可以用精细的时间分辨率移近观察信号，观察信号的变化，用逐渐精细的频率分辨率移远观察信号的慢变成分，结合超声信号和噪声信号的特点，从原始信号中有效分离噪声信号的分量，从而达到抑制噪声的目的。但它有一定的局限性，对信噪比太低的噪声难以消除。本论文采用基于自适应滤波器的噪声消除技术，不但可以消除有用信号频带以内的噪声，还可以在信噪比太低时，消除噪声。

4.2. 基于自适应滤波器的噪声消除技术在超声波流量计中应用 [8] [9] [10]

在一些特殊情况下，比如：测量管径很大或被测媒质含有悬浮颗粒或媒质对超声衰减很大等，造成接收信号的信噪比严重下降，使用传统固定滤波器或小波变换的方法都不能达到理想的滤波效果，这时采用基于自适应滤波器的噪声消除技术可以从被噪声干扰所淹没的环境中检测和提取微弱的有用信号，从而提高信号接收的信噪比质量，本论文以LMS算法 [1] 为例，讨论自适应技术在超声流量测量中的应用。

4.2.1. LMS自适应滤波器 [11]

所谓自适应滤波，就是利用前一刻已获得的滤波器参数等结果，自动调节现有滤波器的参数，以实现最优滤波。

LMS (Least Mean Square，简称LMS) [12] 自适应滤波器又叫最小均方自适应滤波器，用该方法可自动调节FIR滤波器的参数 [12]，使线性组合器的输出信号与期望值之间误差的均方值最小，从而达到提高信号接收的信噪比质量。

自适应数字滤波器的基本部件如图2所示的自适应线性组合器构成，设其有M + 1个输入分别为 $x\left(K\right),x\left(K-1\right),\cdots ,x\left(K-M\right)$，则输出 $y\left(K\right)$ 是这些输入加权后的线性组合，即：

$y\left(K\right)={\displaystyle \underset{i=0}{\overset{M}{\sum }}{w}_{i}x\left(K-i\right)}$ (4-1)

图中d(K)代表所期望的相应值，ε(K)是误差信号，误差信号ε(K)平方后取数学期望可得均方误差，均方误差是W的二次函数，具有唯一最小值。所以通过LMS算法可将噪声误差降到最小值。

图2. LMS自适应线性组合器

4.2.2. 自适应滤波器抵消模型原理简介

自适应滤波器的重要应用就是作噪声抵消器 [13]，如图3自适应噪声抵消器所示，它有两个输入：主输入和参考输入。主输入为信号与噪声之和，参考输入为噪声，参考输入与信号里混合噪声相关，与需要的信号无关。

图3. 自适应噪声抵消器

信号从主输入自适应滤波器的dj端输入，参考输入则加在自适应滤波器的xj端。图3的自适应滤波器反馈误差信号ej，并受其控制。调整滤波器的响应，使噪声ni通过滤波器后产生的输出yj尽量接近于no，ej作为dj与yj之差就会接近于信号S，因此自适应滤波器可以用来抵消混在主输入有用信号中的噪声，从而从系统输出有用信号S。

在多通道全数字超声波流量计的设计中，当各通道交替工作时，可选择一个不工作的空通道作为参考输入，噪声参考信号xj，通过自适应滤波器输出与no相匹配的信号yj，从而达到噪声抵消的作用。

5. 自适应噪声抵消仿真结果 [14] [15] [16]

在Matlab环境下，采用LMS自适应算法，对超声流量测量中的噪声抵消情况进行仿真。主输入信号里的有用信号S采用实测的超声波流量计的回波信号，采样频率为120 MHz。噪声信号no和ni分别利用噪声源信号n(K)通过不同方式延迟后形成，而n(K)是利用Matlab内部函数产生的噪声信号。n(K)与噪声信号no和ni的关系是：

$\text{no}=0.\text{4n}\left(\text{K}\right)+0.\text{2n}\left(\text{K}-\text{1}\right)+0.\text{2n}\left(\text{K}-\text{2}\right)+0.\text{2n}\left(\text{K}-\text{3}\right)$

$\text{ni}=0.\text{4n}\left(\text{K}\right)+0.\text{3n}\left(\text{K}-\text{1}\right)+0.\text{2n}\left(\text{K}-\text{2}\right)+0.\text{1n}(\; -\; 3\; )$

仿真的结果如图4所示，它是通过采用LMS算法对超声回波信号进行滤波的结果，可以看出信号有着非常快的收敛速度和有着非常好的除噪能力。

另外，通过LMS算法得滤波后的信噪比的大小，令输入SNR = 10 lg (S²/σ²)，输出SNR = 10 lg (S²/ ${\sigma }_0^2$ )，这里S²为有用回波信号的均方值，σ²为输入噪声信号的方差， ${\sigma }_0^2$ 为输出噪声信号的方差。在上面进行仿真中，输出SNR为7.33 db，滤波效果较好，算法简单，计算时间短。

图4. LMS算法滤波效果图

仿真结果表明：将自适应噪声抵消器应用于超声波流量检测，可以取得良好的效果，特别是在干扰处于非平稳情况下，其抗干扰的效果更为明显。

6. 总结

超声流量计测量流量是超声技术在工业测量方面发展较早的应用之一，因超声的一系列优良特性，该领域的发展正呈现不断加速的势头。本论文将自适应滤波方法应用到超声流量计的检测中，可以高效地检测受干扰后的信号，提高了整个系统检测信号的能力。在应用LMS算法中，还需结合实际硬件系统的运算能力进一步研究算法实现的可能性和算法优化的方法，以提高测量的精度和在恶劣环境下信号检测能力。

文章引用

高 燕,胡继胜,钱晓东. 超声流量计中噪声处理研究
Study on Noise Treatment in Ultrasonic Flowmeter[J]. 电路与系统, 2021, 10(04): 25-30. https://doi.org/10.12677/OJCS.2021.104004

参考文献