小管径超声波流量计去噪方法

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1、2015年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology77小管径超声波流量计去噪方法文闻1宗光华‘于洋2孙亮1(1北京航空航天大学机器人研究所，北京100191)(2北京控制T程研究所．北京100190)摘要超声波流量计中存在各种噪声，直接影响流量测量的精度。文章首先分析了小管径超声波流量计中噪声的来源，从实时性的角度出发，提出了一种直接对测量时间差进行去噪的方法，避免了对原始超声波信号进行采样、分析带来的实时性差的问题。针对随机噪声和声学噪声引起的时间差数据中的误差，

2、以硬阈值小波滤波作为第一级滤波、中值加均值滤波为第二级滤波进行处理。通过流量测量实验，验证了去噪方法的有效性，结果表明，去噪后流量计的瞬时测量误差小于1％。关键词超声波流量计；在轨加注；小波滤波；中值加均值滤波；航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．02．0l1引言航天器在轨加注过程中，对推进剂流量的高精度测量有助于延长航天器的有效工作寿命。超声波流量测量方法相比传统的PVT法、BK法，具有较高的测量精度，而且其测量方式属于非浸入式测量，因此适合用于推进剂流量的测量[1j。目前，

3、出现了一些用于航天器推进剂流量测量的小管径(管道内径小于或等于10mm)超声波流量计口一，利用其瞬态流量计量功能，将其安装在被加注航天器推进系统氧化剂和燃烧剂储箱上游的主干路上，可以实时测定注人氧化剂和燃烧剂的流量，从而精确地计算加注的推进剂总体积。超声波流量计的核心任务是测量超声波在管道中的顺、逆流传播时间，获得时间差，进而计算出流量。流量计的精度主要取决于计时精度和超声波换能器输出信号的信噪比。目前，通过高精度的计时芯片，计时精度已经可以达到皮秒级一4，因此，超声波换能器输出信号中的噪声成为影响流量计精度的主要

4、因素。本文通过分析小管径超声波流量计中噪声的来源，提出了一种将小波滤波和平滑滤波相结合的方法来滤除流量计中的噪声，并将其应用于流量计的数字信号处理模块。通过流量测量试验，验证了去噪方法的有效性。2噪声来源分析小管径超声波流量计一般采用传播时间差法计算流量，即通过测量发射信号和接收信号之间的延迟来获得顺流传播时间t。和逆流传播时间t。，获得时间差t。～t。，进而计算出流量Q。由于管道直径较小，将换能器安装在测量管道的两端，因此流量计算公式为：1：收稿日期：201411—22。收修改稿日期：2014-122178中国空

5、间科学技术2015年4月Q一里掣(1)2L⋯式中s为管道的横截面积；c为超声波在水中的传播速度；L为超声波在水中的传播距离。因为阈值法电路实现简单，不需要对接收信号进行采样和计算，因此能够保证时间测量的实时性。但是，当换能器的接收信号中包含噪声时，往往会造成信号幅值的波动，从而导致测量的超声波传播时间存在误差。对于测量管路长度为15cm的超声波流量计，超声波传播的时间差大约为几十纳秒，而噪声导致的时间差的测量误差最大可以达到微秒级，这将严重影响超声波流量计的测量精度。小管径超声波流量计除了含有超声波换能器这种机电转

6、换装置外，其电路既有模拟部分(用于驱动换能器)，又有数字部分(用于逻辑控制和信号处理)，因此噪声来源较为复杂，大致可分为电源噪声、集成电路噪声和声学噪声。电源噪声来自电路的供电模块。电源输出电压的波动往往会降低输出信号的信噪比，甚至有可能影响数字电路的逻辑关系，造成信号输出紊乱。集成电路噪声来源于电路中的各个模块，其频谱分布与白噪声类似[5]。声学噪声主要是由于流量计管壁对超声波的反射、流体内部的压力波动以及外界环境中的振动等，导致换能器中的压电晶片受到激励而产生的。对于采用了压电晶体超声波换能器的超声波流量计而言

7、，声学噪声也是不可避免的。图1分别显示了理想的换能器接收信号[61和示波器记录的含噪声的换能器接收信号。从图1(b)中可以看到，除了发射信号产生的有用信号外，还掺杂了其他噪声信号。图1(b)所示的随机噪声主要包含电源噪声和集成电路噪声，相比声学噪声，随机噪声的幅值往往比较小，但在信号中始终存在。声学噪声通常出现在换能器理想接收信号之后，持续一段时间后逐渐衰减。在某些情况下(例如管壁反射的发射信号能量高于液体中传播的信号能量)，声学噪声的最大幅值甚至高于换能器正常接收信号的幅值。慨亟萝¨二甄亟假=四四土四固固四四四雹

8、D6兰塑幽运T童熏燃i——二．一一j⋯i⋯．．～一一⋯一二一j．时11ULls二五互D慧啊。1岖’(a)理想换能器接收信号(b)含有噪声的真实换能器接收信号图1理想换能器接收信号与含噪声接收信号对比Fig．1Idealultrasonictransduceroutputandrealoutputwithnoise因此，通过数字信号处理的方法滤除噪声，还原真实