EMD算法在超声波流量检测信号处理中的应用

　　0　引言

　　超声波流量检测是利用超声波确定被测流体的流速进而求得流量。根据测量原理可分为时差法、相位差法、频差法等几种。在时差式超声波流量检测中,渡越时间(超声波从发射到碰到管壁反射回来所经历的时间间隔)的测定是影响系统精度的主要因素。对于渡越时间的检测,超声波回波到达时刻(波至点)的准确定位是关键。由于受检测系统内部和外界环境噪声的干扰,回波信号变得非常复杂。近几年来,运用小波算法对超声波回波信号进行数字滤波是常用的方法,小波变换能够在时频域内同时得到较高的分辨率,但是仍然存在一定的限制,这种限制在通常情况下会造成很多虚假的谐波。本文介绍了用EMD算法来对回波信号进行处理以提高测量精度的方法。

　　1　流量测定原理及常规时差检测方法的局限

　　时差式超声波流量检测是通过测量超声波脉冲顺/逆流传播时间差来间接测量流量。其测量装置示意如图1所示。

　　一对超声波换能器采用管外V形安装,换能器安装时前端面的距离为L。通过推导可以得到流体轴线流速的计算公式:

　　式中:Δt为超声波顺/逆流到达接收探头的时间差;C0为静止流体中的的声速;D为管道内径;θ为流体中心线与管道轴心线的夹角。

　　θ是一个由换能器安装位置、管道材料、管径和流体性质确定的量,利用折射定律可以得到;C0可利用声速与温度的拟合公式计算得到。故只要分别测得超声波顺/逆流传播时间,就可以由式(1)准确求出流体轴线流速。由流体轴线流速加以校正,获得面流速的大小,就可得到流量Q。

　　常规超声波传播时间检测方法为阈值法。当接收信号超过阈值(自适应或固定阈值)时,即认为回波信号到达,相应的时间点就是回波到达的时刻,如图2所示。由于换能器晶片有一定的振动惯量,它收到回波后,振幅是按指数规律增加的,要经过几个周波才达到饱和,最初几个回波信号较小。为了提高测量精度,原则上所选用的阈值常数应该尽量的小,但此时由噪声引起的回波信号幅值的变化有可能超过所设定的阈值常数,严重影响测量精度,如图2a所示。相反若提高阈值,采集信号的第二个峰值(如图2b),然后减去一个周期,所得结果作为信号的实际传播时间,该方法亦存在以下的弊端:①超声波在流体中传播时能量衰减不一,可能导致采集的信号为第一个或第三个峰值。②实际采集信号时,常取波形上升沿的某一位置,这样即便减去了一个周期仍然存在原理上的时间滞后。以超声波在水中的传播速度1450 m/s为例,1 m距离的传播时间为689.655μs,而一般流速下顺/逆流的传播时间仅相差几百ns到几μs。使用1 MHz超声波测量时,相差1个周期(1μs)会引起相当大的误差。可见,波至点的检测是制约流量测量精度的关键因素。