编码激励带宽对超声气体流量测量性能的影响

　　0　引　　言

　　超声流量计近几十年迅速兴起,源于其相对孔板、涡轮等仪表的如下优点:无可动部件、压损小、大管径测量成本低。传统的传播时间法超声流量测量系统,一般采用单脉冲或猝发脉冲(tone burst)作为激励信号。为提高信噪比和时延估计精度,可选用脉冲压缩编码信号做为激励信号[1],脉冲压缩编码广泛应用于雷达,近几年随着传感器材料、制造工艺和信号处理方法的发展,脉冲压缩技术已成功应用于医疗超声成像[2]、超声测距[3]等领域。这类信号[4]既有二进制编码,如巴克码(Barker)和m序列等,也包括线性调频(linear frequency modulation,LFM)。从理论上讲,增大脉冲压缩激励信号带宽,可以提高信噪比,从而提高测量精度,然而受限于超声换能器的有限带宽,实际并非如此。本文选取线性调频做为激励信号,通过改变带宽的大小,说明信号带宽对超声气体流量测量性能的影响。

　　1　实验装置与方法

　　用FPGA芯片ACEX1K30设计了猝发脉冲(toneburst)激励的超声流量测量系统。其中,信号发生模块基于直接数字频率合成原理[5](Direct Digital frequencySynthesizer,DDS),改变少数参数配置,就可产生各种载频和调制信号的激励。接收信号经前置放大滤波后,使用NI公司的USB6251数据采集卡(16 bit,单通道最大采样速率1.25 M/s)进行A/D转换,其采样时钟和触发方式均选用外部源,由系统时序模块控制。采样信号送上位机软件处理。如图1所示。

　　超声换能器选用Senscomp公司的收发两用型压电换能器120KHF25,最大驱动电压峰峰值50 V,中心频率125 kHz,带宽10 kHz。使用标准表法常压空气流量实验装置,标准表为横河DY100型数字式旋涡流量计,流速小于35 m/s时,读数误差±1.0%。实验管段内径D为150 mm,换能器以插入式Z型安装,轴线与水平夹角θ约为45.8°,如图2,声程长度L实测为242 mm,室温20℃,为保证实验管段内为充分发展的紊流,配置了足够长的上游直管段(20D)。

　　数据按以下步骤处理:基准信号由回波法[6]获得,以消除传感器和电路引入的延时,将顺、逆流接收信号分别与基准信号作相关处理,测得顺、逆流传播时间tdn和tup,代入公式:

　　式中:参数如图2所示,求得当前声程平均流速v;由GB/T18604-2001[7]中的单声道修正系数Kc计算公式:

　　式中:Re为雷诺数,将声程线速度转化为计算流量所需的面平均流速-v = Kcv;最后,与温压补偿后的标准涡街所测流速比较,计算读数误差和标准偏差。

　　2　线性调频信号

　　与巴克码和m序列2PSK编码激励相比,线性调频信号频谱与换能器带宽的匹配度最高,因此有最小的流速标准偏差和读数误差。本文研究时域持续时间相同,峰峰值相同,带宽不同的LFM激励条件下,超声流量测量系统的性能。线性调频信号对多普勒频移不敏感,自相关函数具有sinc函数型包络(sincx =sinx/x),-4 dB主瓣宽度为1/B(B为带宽),第一旁瓣高度为-13.2 dB,如图3(b)。