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:

　　式中:ai为频移分量的幅值;Ωi为频移分量的频率值;φi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:

　　用sr(t)与s(t)进行乘法器混频,则可以得到一个高频分量和以ωc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:

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

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

　　如果ωdi均大于ωc,即sd(t)以ωc为基准形成右边带,则流速方向为正;如果ωdi均小于ωc,即sd(t)以ωc为基准形成左边带,则流速方向为负;如果ωdi均为零,即sd(t)的频谱为单一频率ωc,则流体静止;当sd(t)的频带在ωc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fdi加权平均可求得中频平均多普勒频移fd,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:

>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。