选带细化超声流量计试验分析

    0 引言

    超声多普勒流量测量方法自诞生以来，已逐步发展成为超声波流量测量的一个重要方向。超声多普勒流量计适用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的液体，在工业流量测量中具有广泛的应用前景。近年来，随着电子技术和信息技术的飞速发展，超声波流量测量的技术水平有了很大提高，国外在多普勒超声流场测量方面做了大量理论及实验研究^[1~3]，然而现有多普勒超声波流量计一般采用基频解调，无法判断流速方向，并且存在低流速测量困难，动态响应速度慢、实时性差等缺点。^[4]

    1 超声波回波信号分析^[5]

    超声多普勒流量测量时换能器接收到的信号为多个多普勒频移成份的叠加，其振幅和相位均受多普勒频移成份的非线性调制，如式（1）所示：

             （1）

    式中：a_i为频移分量的幅值；Ω_i为频移分量的频率值；φ_i为频移分量的相位；ω₀为发射信号频率；第一项s₁（t）为经管壁、衬里等非运动介质耦合到接收探头的信号。

    传统超声多普勒流量计用乘法器将频率为ω₀的参考信号cosω₀t与s（t）混频到基频，低通滤波后得到低频分量。

    2 选带细化频谱分析^[6]

    由于基频解调后得到的平均多普勒频率为绝对值，因此传统超声多普勒方法不能判断流速的方向。虽然可以通过时域法、频域法、相域法等方法来检测流速方向信息，但这些方法较为复杂，实现困难、成本高，不适用于工业管道流量测量方面的应用。文中提出一种解调到中频基准的方法来实现流速方向的判断，详细介绍如下：

    令

    s_r（t）=cosω_rt

    式中：ω_r= ω₀ - ω_c；ω_c= 2πf_c；f_c为中频基准频率。

    用s_r（t）与s（t）进行乘法器混频，则可以得到一个高频分量和以ω_c为基准的中频信号，经过低通滤波滤除高频分量，得到中频分量如下：

              （2）

    式中：幅值k_i和相位φ'_i均与多普勒频率无关；定义Ω_i（i≥1）均大于零时，流速方向为正；Ω_i均小于零时，流速方向为负；Ω_i均为零时，流体静止。

    用频域方法分析中频信号s_d（t）的频谱，令ω_di=ω + Ω_i=2πf_di，则由上面定义得到如下结论：

    如果ω_di均大于ω_c，即s_d（t）以ω_c为基准形成右边带，则流速方向为正；如果ω_di均小于ω_c，即s_d（t）以ω_c为基准形成左边带，则流速方向为负；如果ω_di均为零，即s_d（t）的频谱为单一频率ω_c，则流体静止；当s_d（t）的频带在ω_c左右两侧均有分布时，表明管道流体中存在回流运动。

    由各频率分量f_di加权平均可求得中频平均多普勒频移f_d，于是得到含流速方向信息的取样域内流体平均流速计算公式：

            （3）

    >0时流速方向为正，<0时流速方向为负，=0则流体静止。本方法在中频段对信号进行频谱分析处理，相对在高频段进行频谱分析而言简单方便，数据量小。相对解调到基频的传统方法，其能判断流速方向。

    实现的选带细化超声流量计产品系统硬件包括超声多普勒探头、基准信号源、功率放大器、前置放大器、中频解调模块、模数转换器、TMS320VC5410数字信号处理器、Flash存储器、单片机、显示、键盘、输出和通讯等部分。

    产品采用超声多普勒探头，一对发射和接收探头外夹安装在管道上，基准信号源产生频率为640kHz的正弦信号，功率放大后驱动发射探头经管壁向被测流体中发射超声波，该超声波信号被流体中的颗粒或气泡散射而产生多普勒效应。接收探头接收散射的超声波多普勒信号，经前置放大处理后与625kHz参考余弦信号乘法器混频，并低通滤波除去高频分量完成中频解调，得到中心频率约15kHz的中频信号。

    3 实验数据及分析

    实验装置所用管道材料为无缝不锈钢管，内径50mm，壁厚5mm，无衬里；泵为管道离心泵，管道流速通过速度调节阀1和2调节，最大流速3.0m/s。水箱容积1m³，实验用流体介质为清水加少量掺杂，标准表采用DCT1088时差式超声波流量计^[7]，精度±0.5%，流速范围0~±15m/s，重复性±0.2%，线性度为量程的±0.1%，在杂质（包含气泡）体积含量小于1%时不影响测量精度。一般超声多普勒法在杂质浓度大于50~100mg/L时即可测量，通过控制加入滑石粉的重量，能够使得DCT1088和多普勒流量测量系统均能正常工作，此时可以用DCT1088校验CW Doppler流量测量系统的性能。实验装置最上端的排气阀可以排除管道里多余的气泡，以减小气泡对DCT1088测量准确性的影响。流体循环实验装置如图2所示。

    超声多普勒流量计属于速度式流量计，文中参考JIG 198-94（速度式流量计）、JIG 643-94（标准流量计法）和JIG OOO2-94（超声流量计）等国家计量标定规程对基于该流量计进行标定实验，目的是分析该流量测量系统的仪表系数、重复性、线性度和基本误差等重要性能指标。

    实验通过流体循环实验装置分别对不同流量标定点进行5次采样，实验数据如图3所示，图中A为标准表采集数据，B为选带细化超声流量计采集数据：

    通过各组采样结果，通过公式对每个标定点计算每次标定的系数如表1所示。

    由上表可知（K_i）_max= 1.348，（K_i）_min= 1.312，所以仪表系数：

     表1 标定数据

仪表系数	标准表平均流速，m/s
	1.218	1.53	1.944	2.096	2.442	2.852	3.062
Ki1	1.335	1.337	1.313	1.331	1.334	1.31	1.386
Ki2	1.324	1.349	1.331	1.328	1.328	1.345	1.323
Ki3	1.327	1.336	1.322	1.335	1.351	1.295	1.387
Ki	1.326	1.256	1.343	1.323	1.312	1.325	1.262
	1.372	1.283	1.322	1.324	1.333	1.305	1.382
	1.337	1.312	1.326	1.328	1.332	1.316	1.348
Eri	0.63%	0.42%	0.40%	0.52%	0.36%	0.27%	0.24%

    K= K_imax+ K_imin/2=1.330

    线性度EL：

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

    重复性：

    E_r=（E_ri）_max=0.67%

    基本误差δ：

    δ=±（E²_B + E²_L）^1/2 =±1.38%

    综合上面流量测量的数据，根据国家计量检定规程，确定选带细化超声流量计的准确度等级为1.5级。

    DDF5088为Polysonics的产品，在工业管道流量测量用超声多普勒流量计中比较有代表性，其不能判断流速方向，精度为±2%，重复性为满量程的±0.05%，线性度为量程的±0.3%。在相同的流量标定装置上对DDF5088进行标定实验，每次标定点为3个，实验数据如表2所示。

    表2 DDF 5088标定数据

仪表系数	标准表平均流速，m/s
	1.218	1.53	1.944	2.096	2.442	2.852	3.062
Ki1	1.215	1.168	1.112	1.113	1.104	1.110	1.080
Ki2	1.206	1.188	1.106	1.112	1.100	1.105	1.087
Ki3	1.198	1.173	1.104	1.118	1.100	1.095	1.077
Ki	1.207	1.176	1.107	1.114	1.101	1.103	1.081
Eri	0.73%	0.86%	0.40%	0.29%	0.21%	0.67%	0.45%

    K_imax=1.207，K_imin=1.081，所以仪表系数：

   

    线性度E_L：

    

    重复性：

    E_r=E_rimax=0.86%

    基本误差δ：

    δ=±（E²_s + E²_L） =±5.51%

    根据以上计算结果，可以表明所研究的选带细化超声流量计性能要优于DDF5088超声多普勒流量计。

    4 结语

    课题研究一种新的超声多普勒频谱分析方法，该方法以中频解调为基础提取流体速度方向信息，引入ZOOM-FFT选带细化频谱分析技术对解调后多普勒信号进行高精度的频谱估计。在实践上，课题研究以DSP技术为平台实现了一种新颖的超声多普勒流量计，解决了传统超声多普勒流量计存在的无法判断流速方向、低流速测量困难、动态响应速度慢、实时性差等问题。并通过大量实验研究，对该仪器的测量精度、重复性做出了标定，最终确定选带细化超声流量计的准确度等级为1.5级，优于国外同类产品。

    参考文献

    [1] WADA S，KIKURA H，ARITOMI M，et a1.Development of pulse ultrasonic doppler method for flow rate measurement on metal pipe. Journal of Nuclera Science and Technology，2004，41（3）：339-346.
    [2] TAKEDA Y. Ultrasonic Doppler method for velocity profile measurement in fluid dynamics and fluid engineering. Experiments in Fluids，1999，26（3）：177-178.
    [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.
    [4] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京：机械工业出版社，2002：12-32.
    [5] Wang Yuanyuan，Liu Bing et a1.The analysis of ultrasonic doppler frequency spectrum. Acoustic Technology.1998，17（2）：57-62.
    [6] HOYERE，STORK R. The zoom FFT using complex modulation. IEEE Intemational Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing， Piscataway，NJ：IEEE Press，1977，2：78-81.
    [7] Themo Electron Corporation. Polysonics DCT1088.http：//www.themo.com/com/cda/product/detail/1，1055，13833，00.html，2O04.