编码激励超声流量测量平台

0　引　言

超声流量计近几十年的迅速兴起,源于其压损低、精度高和适于大管径测量等优点。根据测量原理,目前普遍使用的是传播时间法和多普勒法。前者测量超声信号顺流和逆流传播时间差求得流体流速,适用于较洁净的介质;而后者测量收发信号的频差,基于声多普勒效应求得流体中所含粒子的流速,因此,适用于含悬浮颗粒的流体介质,如,血液、污水等。本文就传播时间法中的关键技术——顺流和逆流时差测量,设计了一编码激励超声流量测量平台。

1　传播时间法原理

传播时间法原理如图1,超声信号沿顺流和逆流方向的传播时间差,在马赫数Ma=v/c远小于1的情况下,与流速呈线性关系。时差法[1]的流速计算公式如下

式中　v为流速;c为静止介质中的声速;tdn和tup分别为顺流逆流传播时间;D为管道内径;θ为声束与水平轴线间的夹角。

　　设超声换能器以45°角度Z形安装,管径为150 mm,介质为空气,流速为0.1m/s,声速为340m/s,可计算得顺流传播时间tdn为623.7880μs,逆流传播时间tup为624.047 5μs,时差tup-tdn为259.5ns。若声速更高(如介质为液体)或流速更低,则时差为几十甚至几个纳秒。可见时差法本质是求2个数量级相对较大而数值相近的时间量之微差。

测量超声信号传播时间的传统方法是“门限触发——过零检测”[2]。但在信噪比较小的场合,如,气体介质、大管径、高流速等,会引入较大测量误差。由此引入了相关测时法[3,4],即发射信号分别与顺流、逆流接收信号作相关运算,测得相应的传播时间,顺流、逆流接收信号作二次相关测得时差。上述2种方法一般采用单载频脉冲作为激励信号,脉冲持续时间越长(带宽越小),作用距离越大;脉冲时宽越窄(带宽越大),时间分辨率越高。然而,单载频脉冲时宽带宽积接近于1,因此,不可能同时提高系统的时间分辨率和作用距离。

2　编码激励超声流量测量系统

为了兼顾时间分辨率和作用距离,可采用大时宽带宽积的激励信号,并通过脉冲压缩的方法获得高时间分辨率和信噪比。这类信号既有二相编码,也有线性调频,本文将其统称为脉冲压缩编码信号(简称编码信号)。脉冲压缩[5]概念源于雷达技术,Jacobson等人[6]在1988年的专利中将这一技术引入超声流量测量,并基于自相关函数旁瓣最小的原则选择了11位巴克码(Barker)作为二进制调相激励信号,经脉冲压缩测量传播时间。Folkestad等人(1993)[7]使用线性调频(linear frequencymodulation,LFM)信号和连续波相位差法结合的技术实现海上平台火炬尾气的超声流量监测,流速范围可达0.3~80 m/s。近年来,编码激励信号在超声检测中的应用逐渐增多,关于其机理的研究也相继展开。如Nowicki等人(2006)[8]对各种脉冲压缩编码超声信号的声场特性用水听器进行了测量,并与简单脉冲激励相比较,发现脉冲压缩与短脉冲信号声场分布相似,更能有效抑制距离/时间旁瓣;随后(2007)[9],就超声换能器带宽对编码激励系统的性能影响展开研究,结果表明:编码带宽在换能器带宽以内时,输出信噪比要高于带宽不匹配时的情况,分辨率只有较小损失。而国内有关这方面的文献很少。