選帶細化超聲流量計試驗分析

    0 引言

    超聲多普勒流量測量方法自誕生以來(lái)，已逐步發(fā)展成為超聲波流量測量的一個(gè)重要方向。超聲多普勒流量計適用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆�；驓馀莸囊后w，在工業(yè)流量測量中具有廣泛的應用前景。近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波流量測量的技術(shù)水平有了很大提高，國外在多普勒超聲流場(chǎng)測量方面做了大量理論及實(shí)驗研究^[1~3]，然而現有多普勒超聲波流量計一般采用基頻解調，無(wú)法判斷流速方向，并且存在低流速測量困難，動(dòng)態(tài)響應速度慢、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。^[4]

    1 超聲波回波信號分析^[5]

    超聲多普勒流量測量時(shí)換能器接收到的信號為多個(gè)多普勒頻移成份的疊加，其振幅和相位均受多普勒頻移成份的非線(xiàn)性調制，如式（1）所示：

             （1）

    式中：a_i為頻移分量的幅值；Ω_i為頻移分量的頻率值；φ_i為頻移分量的相位；ω₀為發(fā)射信號頻率；第一項s₁（t）為經(jīng)管壁、襯里等非運動(dòng)介質(zhì)耦合到接收探頭的信號。

    傳統超聲多普勒流量計用乘法器將頻率為ω₀的參考信號cosω₀t與s（t）混頻到基頻，低通濾波后得到低頻分量。

    2 選帶細化頻譜分析^[6]

    由于基頻解調后得到的平均多普勒頻率為絕對值，因此傳統超聲多普勒方法不能判斷流速的方向。雖然可以通過(guò)時(shí)域法、頻域法、相域法等方法來(lái)檢測流速方向信息，但這些方法較為復雜，實(shí)現困難、成本高，不適用于工業(yè)管道流量測量方面的應用。文中提出一種解調到中頻基準的方法來(lái)實(shí)現流速方向的判斷，詳細介紹如下：

    令

    s_r（t）=cosω_rt

    式中：ω_r= ω₀ - ω_c；ω_c= 2πf_c；f_c為中頻基準頻率。

    用s_r（t）與s（t）進(jìn)行乘法器混頻，則可以得到一個(gè)高頻分量和以ω_c為基準的中頻信號，經(jīng)過(guò)低通濾波濾除高頻分量，得到中頻分量如下：

              （2）

    式中：幅值k_i和相位φ'_i均與多普勒頻率無(wú)關(guān)；定義Ω_i（i≥1）均大于零時(shí)，流速方向為正；Ω_i均小于零時(shí)，流速方向為負；Ω_i均為零時(shí)，流體靜止。

    用頻域方法分析中頻信號s_d（t）的頻譜，令ω_di=ω + Ω_i=2πf_di，則由上面定義得到如下結論：

    如果ω_di均大于ω_c，即s_d（t）以ω_c為基準形成右邊帶，則流速方向為正；如果ω_di均小于ω_c，即s_d（t）以ω_c為基準形成左邊帶，則流速方向為負；如果ω_di均為零，即s_d（t）的頻譜為單一頻率ω_c，則流體靜止；當s_d（t）的頻帶在ω_c左右兩側均有分布時(shí)，表明管道流體中存在回流運動(dòng)。

    由各頻率分量f_di加權平均可求得中頻平均多普勒頻移f_d，于是得到含流速方向信息的取樣域內流體平均流速計算公式：

            （3）

    >0時(shí)流速方向為正，<0時(shí)流速方向為負，=0則流體靜止。本方法在中頻段對信號進(jìn)行頻譜分析處理，相對在高頻段進(jìn)行頻譜分析而言簡(jiǎn)單方便，數據量小。相對解調到基頻的傳統方法，其能判斷流速方向。

    實(shí)現的選帶細化超聲流量計產(chǎn)品系統硬件包括超聲多普勒探頭、基準信號源、功率放大器、前置放大器、中頻解調模塊、模數轉換器、TMS320VC5410數字信號處理器、Flash存儲器、單片機、顯示、鍵盤(pán)、輸出和通訊等部分。

    產(chǎn)品采用超聲多普勒探頭，一對發(fā)射和接收探頭外夾安裝在管道上，基準信號源產(chǎn)生頻率為640kHz的正弦信號，功率放大后驅動(dòng)發(fā)射探頭經(jīng)管壁向被測流體中發(fā)射超聲波，該超聲波信號被流體中的顆�；驓馀萆⑸涠�產(chǎn)生多普勒效應。接收探頭接收散射的超聲波多普勒信號，經(jīng)前置放大處理后與625kHz參考余弦信號乘法器混頻，并低通濾波除去高頻分量完成中頻解調，得到中心頻率約15kHz的中頻信號。

    3 實(shí)驗數據及分析

    實(shí)驗裝置所用管道材料為無(wú)縫不銹鋼管，內徑50mm，壁厚5mm，無(wú)襯里；泵為管道離心泵，管道流速通過(guò)速度調節閥1和2調節，最大流速3.0m/s。水箱容積1m³，實(shí)驗用流體介質(zhì)為清水加少量摻雜，標準表采用DCT1088時(shí)差式超聲波流量計^[7]，精度±0.5%，流速范圍0~±15m/s，重復性±0.2%，線(xiàn)性度為量程的±0.1%，在雜質(zhì)（包含氣泡）體積含量小于1%時(shí)不影響測量精度。一般超聲多普勒法在雜質(zhì)濃度大于50~100mg/L時(shí)即可測量，通過(guò)控制加入滑石粉的重量，能夠使得DCT1088和多普勒流量測量系統均能正常工作，此時(shí)可以用DCT1088校驗CW Doppler流量測量系統的性能。實(shí)驗裝置最上端的排氣閥可以排除管道里多余的氣泡，以減小氣泡對DCT1088測量準確性的影響。流體循環(huán)實(shí)驗裝置如圖2所示。

    超聲多普勒流量計屬于速度式流量計，文中參考JIG 198-94（速度式流量計）、JIG 643-94（標準流量計法）和JIG OOO2-94（超聲流量計）等國家計量標定規程對基于該流量計進(jìn)行標定實(shí)驗，目的是分析該流量測量系統的儀表系數、重復性、線(xiàn)性度和基本誤差等重要性能指標。

    實(shí)驗通過(guò)流體循環(huán)實(shí)驗裝置分別對不同流量標定點(diǎn)進(jìn)行5次采樣，實(shí)驗數據如圖3所示，圖中A為標準表采集數據，B為選帶細化超聲流量計采集數據：

    通過(guò)各組采樣結果，通過(guò)公式對每個(gè)標定點(diǎn)計算每次標定的系數如表1所示。

    由上表可知（K_i）_max= 1.348，（K_i）_min= 1.312，所以?xún)x表系數：

     表1 標定數據

    K= K_imax+ K_imin/2=1.330

    線(xiàn)性度EL：

    E_L= K_imax- K_imin/K_imax + KK_imin×100% =1.35%

    重復性：

    E_r=（E_ri）_max=0.67%

    基本誤差δ：

    δ=±（E²_B + E²_L）^1/2 =±1.38%

    綜合上面流量測量的數據，根據國家計量檢定規程，確定選帶細化超聲流量計的準確度等級為1.5級。

    DDF5088為Polysonics的產(chǎn)品，在工業(yè)管道流量測量用超聲多普勒流量計中比較有代表性，其不能判斷流速方向，精度為±2%，重復性為滿(mǎn)量程的±0.05%，線(xiàn)性度為量程的±0.3%。在相同的流量標定裝置上對DDF5088進(jìn)行標定實(shí)驗，每次標定點(diǎn)為3個(gè)，實(shí)驗數據如表2所示。

    表2 DDF 5088標定數據

    K_imax=1.207，K_imin=1.081，所以?xún)x表系數：

    線(xiàn)性度E_L：

    重復性：

    E_r=E_rimax=0.86%

    基本誤差δ：

    δ=±（E²_s + E²_L） =±5.51%

    根據以上計算結果，可以表明所研究的選帶細化超聲流量計性能要優(yōu)于DDF5088超聲多普勒流量計。

    4 結語(yǔ)

    課題研究一種新的超聲多普勒頻譜分析方法，該方法以中頻解調為基礎提取流體速度方向信息，引入ZOOM-FFT選帶細化頻譜分析技術(shù)對解調后多普勒信號進(jìn)行高精度的頻譜估計。在實(shí)踐上，課題研究以DSP技術(shù)為平臺實(shí)現了一種新穎的超聲多普勒流量計，解決了傳統超聲多普勒流量計存在的無(wú)法判斷流速方向、低流速測量困難、動(dòng)態(tài)響應速度慢、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。并通過(guò)大量實(shí)驗研究，對該儀器的測量精度、重復性做出了標定，最終確定選帶細化超聲流量計的準確度等級為1.5級，優(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品。

    參考文獻

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    [3] KIKURA H，TAKEDA Y，DURST F. Velocity profile measurement of the taylor vortex flow of a magnetic fluid using the ultrasonic Doppler method . Experiments in Fluids，1999，26 （3）：208-214.
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    [7] Themo Electron Corporation. Polysonics DCT1088.http：//www.themo.com/com/cda/product/detail/1，1055，13833，00.html，2O04.