CN107085123A - 一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体流速测量技术领域的一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法。该装置由声源、声波信号传感器M1、测试传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机由相关线路连接组成；其中声波信号发生装置安装在大口径流道某一截面的四周，N个测试传感器M2‑N分别布置在声波发生装置的两边大口径流道任一截面的四周；从而形成多条声波路径；声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号经过传感器、信号放大器、声卡、采集卡传递给工控机；工控机将两路信号进行计算和分析，得出测量结果。该测量技术为非接触式测量方式，可在高温、气体杂质多的恶劣环境下使用，且安装和简单，适用于各种尺寸流道，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于气体流速测量技术领域，特别涉及一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法。
背景技术
准确地测量气体流速在实际工程应用中有重要的意义，相对于小管径流道，大口径流道由于其管道较大，管内流场相对复杂，流速的准确测量显得更加困难，气体流速的方法有以下几种：
1.皮托管、文丘里管：该方法是基于伯努利方程，通过测量流体的动压和静压求得流场单点的平均流速。这是一种传统的接触式测量方式，在长时间的使用过程中，容易发生腐蚀和磨损，使得测量精度下降。同时，皮托管等都是点测量的方式，难以反映整个流场的整体情况，对大口径流道流速测量的精度会更低。
2.热线风速仪：其原理是将一根通电加热的细金属丝(俗称热线)置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，流速变化时，金属丝的温度就会随之改变，从而促使电信号发生变化，这种变化和风速之间具有一一对应的单调关系，从而测得流速。热线风速仪在测混合气体时，容易发生腐蚀而使得热线变细和断裂，因此热线风速仪不适合测量带杂质气体的气体流速；同时，热线风速仪也属于单点测量技术，无法获得大口径风道流场信息。
3.粒子图像测速仪：粒子图像测速技术是一种应用于全流场、瞬态、无接触的流体测量技术，但是由于测量系统的复杂以及成本的高昂，目前粒子图像测速仪主要还应用在实验室研究应用中，偏重于微尺度条件下流动机理的测量，实际工程应用相对较少。
4.激光多普勒测速仪：利用气体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得气体的速度信息，再利用入射光和散射光的相位差与颗粒尺寸呈线性关系，可以同时得到颗粒的粒径信息。但是这些方法都是点测量；同时，成本较高也是限制其发展的又一重要因素。由上述测量方式可以看出，对于大口径流道流速的测量仍然存在很多的不足，目前为止没有一种特别行之有效的办法能够对大口径流道的整个流场情况进行实时监测。声波测速作为一种非接触式的测量技术，已经有了长时间的研究和实际应用，然而目前声波测速技术中，声源信号主要还是集中在超声波频段，采用可听声频段作为测量信号的研究很少。但是，由于超声波频段高，能量衰减快，在大尺寸的空间内，从超声波换能器发出的超声波难以渡越测量空间到达接收端，因此超声波在大尺度测量对象上的应用具有很大的局限性。同时，超声波具有很强的直线型，这就要求超声波传播路径上不能存在任何障碍物，否则超声波无法到达接收端，可能出现在大口径流道中整体流速测量不全的缺点；而可听声波长较长，能够绕过一定的障碍物到达接收端，对安装和流道的要求低。根据可听声的传播特点，可听声可以在流道内很好地进行发散，从而形成多条传播路径，并不受空间尺寸和位置的影响。根据这些路径的声波飞渡时间信息，可以推算出声波传播的速度，从而重建出流道内的速度场，具有很强的可行性和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法，其特征在于，所述基于声学技术的多路径管道流速测量装置由声源、N个传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机由相关线路连接组成；其中声波信号发生装置安装在大口径流道某一截面的四周，每一个声波信号发生装置的声波导管是安装声波信号传感器M1，在声波发生装置两边的大口径流道的任一截面四周分别布置第2-第n个测试传感器M2-N；其中n＝1,2,3…N，从而形成多条声波路径；声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号传感器M1将信号传给信号放大器，通过声卡传递给工控机；测试传感器M2-N得到的声波信号通过采集卡传递给工控机，工控机将两路信号进行计算和分析，得出测量结果。
所述N个传感器包含声波信号传感器M1与测试传感器M2-N；测试传感器M2-N根据大口径流道的大小和测量精度要求确定安装的数量；其中N为正整数。
一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置的多路径管道流速方法，其特征在于，包括：
1)根据流道结构和尺寸大小选择声波发生装置和声波传感器的布置。合理的布置声波发生装置和声波传感器应该以声波传感器不失真地接收声源信号为前提，进而准确地对流场进行重建；
2)基于最小二乘法的速度场重建算法，根据各条路径上有限的声波飞渡时间数据，得出整个流道的二维速度场，最小二乘法能够达到重建的精度要求，具备一定的抗噪声能力；
3)声波发生装置采用扫频信号为声源信号，所述扫频信号具有较强的互相关特性，容易获得声波的飞渡时间，选择合适的频段，能够很好地绕开背景噪声的频段，方便进行滤波处理；增加单路径上飞渡时间的长度，调节扫频周期的大小，以使互相关峰值比较明显，得到互相关特性较尖锐的互相关函数，从而保持测量的准确性；其中扫频信号频段选择在2000Hz-8000Hz之间，扫频周期为0.1s；
4)应用声波飞渡时间时延估计算法，设声波信号传感器M1与测试传感器M2-N中任一一个之间的距离为S，当声波发生装置发出声波信号后，上述两个传感器之间接收信号的时间差为t，则两个传感器之间的实际声速c为:
c＝S/t
4)传感器接收到的信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即是声波经过两个传感器的飞渡时间值τ；
假设某一路径上上述两个传感器接收到信号的数学模型如下：
式中：x1(n)、x2(n)分别为声波信号传感器M1和测试传感器M2-N接收的信号函数；n＝1,2,3,...N；表示第n个测试传感器；s(n)为声源信号函数；w1(n)和w2(n)分别为2个传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个传感器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；
假设s(n)、w1(n)和w2(n)为互不相关的平稳随机过程，则x1(n)和x2(n)的互相关函数为：
上式可转换为：
令α＝1，则RS(τ-D)为信号s(n)的自相关函数，x1、x2是表示声波信号传感器和其他测试传感器所在位置，E表示数学期望值，由自相关函数的性质可知，时间延迟估计为
5)对信号和噪声进行白化处理，通过声波信号传感器和其他测试传感器得到的两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定加权，来对信号和噪声进行白化处理，增强信号中信噪比，从而抑制噪声的影响，通过傅里叶变换再反变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数；其表达式为
R12(τ)＝F-1[ψ12F(x1)*F(x2)]
式中：F为傅里叶变换；*为共轭；F-1为傅里叶逆变换；Ψ12为频域处理的加权函数；
在实际应用中，权函数的选择是个难点，也是实现时延准确估计的重点。在广义互相关时延估计法中，若取权函数
则称之为基于相位变换(PHAT)加权；PHAT加权对大信噪比时有比较好的效果，能够有效抑制大口径流道的混响，适用于宽带信号时的情况。
本发明的有益效果为：该技术弥补了传统的流速测量方式的不足，适应于各种尺寸大小的流道，在不影响管道原有流场的前提下准确测量气体流速；同时安装简单方便，不需要破坏原有的设备，所需设备成本比较低，同时可以根据管道以及测量精度要求设置传感器个数，测量精度高，灵敏性好。可以大范围推广使用；在实际工程应用中具有很大的优势。同现有技术相比，体现在：
1)能够对各种尺寸流道的流速进行重建，得到其流场信息，从而更为准确地获得其流量。
2)属于非接触式测量，可以应用于比较恶劣的工作环境，抗腐蚀、磨损能力强，能长时间地进行准确测量，适用范围广；可以用于多种气体的流速测量，测量量程大。
3)采用主动式声源作为测量的信号源，避免被动式声源信号可识别性低、测量不准确等问题。
4)采用频率较低的可听声作为信号源，信号传播距离长，能适应大口径流道的流体流速测量，并且声源信号能够越过一定尺寸的障碍物，顺利到达信号接收端，系统的可靠性高。
附图说明
图1为可听声多路径管道流速测量装置的声源和传感器布置图；
图2为测量路径平面示意图；
图3为PHAT加权的广义互相关算法的计算流程；
图4为信号处理流程图；
图5为声波信号的互相关函数图。
具体实施方式
本发明提出一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法，下面根
据附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示为可听声多路径管道流速测量装置的声源和传感器布置图。该多路径管道流速测量装置由声源、N个传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机由相关线路连接组成；其中声波信号发生装置安装在大口径流道某一截面的四周，每一个声波信号发生装置的声波导管是安装声波信号传感器M1，在声波发生装置两边的大口径流道的任一截面四周分别布置第2-第n个测试传感器M2-N；其中n＝1,2,3…N，从而形成多条声波路径；N个传感器包含声波信号传感器M1与测试传感器M2-N；测试传感器M2-N根据大口径流道的大小和测量精度要求确定安装的数量；其中N为正整数。声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号传感器M1将信号传给信号放大器，通过声卡传递给工控机；测试传感器M2-N得到的声波信号通过采集卡传递给工控机，工控机将两路信号进行计算和分析，得出测量结果。
如图4所示，声波信号传感器M1、测试传感器M2-N的输出分别与数据采集卡9连接，数据采集卡9与计算机10连接，声源A与功率放大器12连接，功率放大器12通过声卡11与计算机10连接。计算机10发出的声波信号经声卡11转换成模拟信号，通过功率放大器12放大输出至声源A，声源A发射出声波信号，声波传感器接收到声波信号后通过数据采集卡9将采集的数据输入计算机10内，声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号传感器M1将信号传给信号放大器，通过声卡传递给工控机；测试传感器M2-N得到的声波信号通过采集卡传递给工控机，工控机再用Labview对采集的数据进行处理，将两路信号进行计算和分析得到声波飞渡时间，从而计算得到气体流速。所述测试传感器M2-N根据大口径流道的大小和测量精度要求确定安装的数量。基于最小二乘法的速度场重建算法合理的布置声波发生装置和声波传感器应该以声波传感器不失真地接收声源信号为前提，进而准确地对流场进行重建，根据各条路径上有限的声波飞渡时间数据，得出整个流道的二维速度场，最小二乘法能够达到重建的精度要求，具备一定的抗噪声能力；用Labview对采集的原始信号进行带通滤波处理，可以减少甚至避免背景噪声的干扰。
声波发生装置采用扫频信号为声源信号，所述扫频信号具有较强的互相关特性，容易获得声波的飞渡时间，选择合适的频段，能够很好地绕开背景噪声的频段，方便进行滤波处理；增加单路径上飞渡时间的长度，调节扫频周期的大小，以使互相关峰值比较明显，得到互相关特性较尖锐的互相关函数，从而保持测量的准确性；其中扫频信号频段选择在2000Hz-8000Hz之间，扫频周期为0.1s；
图2所示，应用声波飞渡时间时延估计算法，设声波信号传感器M1与测试传感器M2-N中任一一个之间的距离为S，当声波发生装置发出声波信号后，上述两个传感器之间接收信号的时间差为t，则两个传感器之间的实际声速c为:
c＝S/t
再根据
从而可以得到流速：
式中，v表示气体流动流速，m/s；c表示声波在气体介质中的传播速度，m/s；L表示2个传感器之间的距离，m；t表示飞渡时间，s。
如图3所示为PHAT算法流程，原始信号经过快速傅里叶变换得到两信号的频谱，再取共轭相乘，经过PHAT加权，进行反傅里叶变换得到两路信号的广义互相关函数，通过检测广义互相关函数的峰值，即可得到传感器接收到的信号的时延值。
传感器接收到的信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即是声波经过两个传感器的飞渡时间值τ；
假设某一路径上上述两个传感器接收到信号的数学模型如下：
式中：x1(n)、x2(n)分别为声波信号传感器M1和测试传感器M2-N接收的信号函数；s(n)为声源信号函数；w1(n)和w2(n)分别为2个传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个传感器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；
假设s(n)、w1(n)和w2(n)为互不相关的平稳随机过程，则x1(n)和x2(n)的互相关函数为：
上式可转换为：
令α＝1，则RS(τ-D)为信号s(n)的自相关函数，x1、x2是表示声波信号传感器和其他测试传感器所在位置，由自相关函数的性质可知，时间延迟估计为
5)滤波处理，对信号和噪声进行白化处理，通过声波信号传感器和其他测试传感器得到的两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定加权，来对信号和噪声进行白化处理，增强信号中信噪比，从而抑制噪声的影响，通过傅里叶变换，反变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数；其表达式为
R12(τ)＝F-1[ψ12F(x1)*F(x2)]
式中：F为傅里叶变换；*为共轭；F-1为傅里叶逆变换；Ψ12为频域处理的加权函数；
在实际应用中，权函数的选择是个难点，也是实现时延准确估计的重点。在广义互相关时延估计法中，若取权函数
则称之为基于相位变换(PHAT)加权；PHAT加权对大信噪比时有比较好的效果，能够有效抑制大口径流道的混响，适用于宽带信号时的情况。
Claims (3)
1.一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置，其特征在于，所述基于声学技术的多路径管道流速测量装置由声源、所述基于声学技术的多路径管道流速测量装置由声源、N个传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机由相关线路连接组成；其中声波信号发生装置安装在大口径流道某一截面的四周，每一个声波信号发生装置的声波导管是安装声波信号传感器M1，在声波发生装置两边的大口径流道的任一截面四周分别布置第2-第n个测试传感器M2-N；其中n＝1,2,3…N，从而形成多条声波路径；声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号传感器M1将信号传给信号放大器，通过声卡传递给工控机；测试传感器M2-N得到的声波信号通过采集卡传递给工控机，工控机将两路信号进行计算和分析，得出测量结果。
2.根据权利要求1所述基于声学技术的多路径管道流速测量装置，其特征在于，所述N个传感器包含声波信号传感器M1与测试传感器M2-N；测试传感器M2-N根据大口径流道的大小和测量精度要求确定安装的数量；其中N为正整数。
3.一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置的多路径管道流速方法，其特征在于，包括：
1)根据流道结构和尺寸大小选择声波发生装置和声波传感器的布置，合理的布置声波发生装置和声波传感器应该以声波传感器不失真地接收声源信号为前提，进而准确地对流场进行重建；
2)基于最小二乘法的速度场重建算法，根据各条路径上有限的声波飞渡时间数据，得出整个流道的二维速度场，最小二乘法能够达到重建的精度要求，具备一定的抗噪声能力；
3)声波发生装置采用扫频信号为声源信号，所述扫频信号具有较强的互相关特性，容易获得声波的飞渡时间，选择合适的频段，能够很好地绕开背景噪声的频段，方便进行滤波处理；增加单路径上飞渡时间的长度，调节扫频周期的大小，以使互相关峰值比较明显，得到互相关特性较尖锐的互相关函数，从而保持测量的准确性；其中扫频信号频段选择在2000Hz-8000Hz之间，扫频周期为0.1s；
4)应用声波飞渡时间时延估计算法，设声波信号传感器M1与测试传感器M2-N中任一一个之间的距离为S，当声波发生装置发出声波信号后，上述两个传感器之间接收信号的时间差为t，则两个传感器之间的实际声速c为:
c＝S/t
4)传感器接收到的信号的时延值，采用时延估计算法得到不同时间信号形成的互相关函数达到最大峰值所对应的时间延迟，即是声波经过两个传感器的飞渡时间值τ；
假设某一路径上上述两个传感器接收到信号的数学模型如下：
<mfenced open = "{" close = "">
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式中：x1(n)、x2(n)分别为声波信号传感器M1和测试传感器M2-N接收的信号函数；n＝1,2,3,...N；表示第n个测试传感器；s(n)为声源信号函数；w1(n)和w2(n)分别为2个传感器接收到的高斯白噪声函数；D为2个传感器之间的相对时间延迟；α为声波相对衰减系数；
假设s(n)、w1(n)和w2(n)为互不相关的平稳随机过程，则x1(n)和x2(n)的互相关函数为：
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1
上式可转换为：
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令α＝1，则RS(τ-D)为信号s(n)的自相关函数，E表示数学期望值x1、x2是表示声波信号传感器和其他测试传感器所在位置，由自相关函数的性质可知，时间延迟估计为
<mrow>
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5)对信号和噪声进行白化处理，通过声波信号传感器和其他测试传感器得到的两信号之间的互功率谱，并在频域内给予一定加权，来对信号和噪声进行白化处理，增强信号中信噪比，从而抑制噪声的影响，通过傅里叶变换再反变换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数；其表达式为
R12(τ)＝F-1[ψ12F(x1)*F(x2)]
式中：F为傅里叶变换；*为共轭；F-1为傅里叶逆变换；Ψ12为频域处理的加权函数；
在实际应用中，权函数的选择是个难点，也是实现时延准确估计的重点，在广义互相关时延估计法中，若取权函数
<mrow>
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则称之为基于相位变换(PHAT)加权；PHAT加权对大信噪比时有比较好的效果，能够有效抑制大口径流道的混响，适用于宽带信号时的情况。
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