混沌检测法在超声波流量计中的应用

　　0　引　　言

　　超声波流量计具有适用于大管径、无压力损失、维修方便等优点,因此该类仪表在流量测量及监测领域具有广阔的应用前景[1]。按测量原理分,超声波流量计主要有时差法和多普勒效应法。其中时差法的测量精度高、重复性好,但它要求所测流体是清洁流体[2];多普勒效应法虽然适用于含悬浮颗粒较多的浑浊流体,但由于测量原理的局限性,它的测量精度低、可重复性差[3]。因此,如何采用新的信号处理方法,扩展时差法的使用范围成为一个新的研究课题。

　　采用时差法测量含有较多悬浮颗粒的流体时,超声波会被流体衰减、散射和吸收,在接收换能器上得到的信号常常会非常微弱,此时如果干扰噪声较大,测量值就会严重偏离真实值,产生粗大误差,失去测量的准确性[4]。因此,要想采用时差法测量含有较多悬浮颗粒的流体,必须采取新的信号处理方法,避免粗大误差的产生。混沌振子对小信号的敏感性及对强噪声的免疫力,可以克服以上缺陷[5-6]。本文采用数字化的信号处理方法,利用混沌振子对微弱超声信号进行检测,避免了粗大误差的产生,提高了测量精度。从而可以扩展时差法的使用范围,使它能够用来测量含悬浮颗粒较多的浑浊流体。

　　1　混沌振子检测微弱信号的原理

　　典型的Holmes型Duffing阵子为[7]:x″+cx′-x+x3= Fcost(1)式中:c为阻尼系数,Fcost为周期策动力。固定c后,当F由小到大变化时,系统的解在相空间中的轨迹将会依次出现倍周期分岔、混沌运动和大尺度周期运动3种运动状态。若用小幅度的与周期策动力圆频率相近的周期信号对周期策动力进行摄动,式(1)变为:x″+cx′-x+x3= Frcost+Acos((1+Δw)t+φ)(2)

　　在式(2)中Fr稍小于Fc(Fc为系统从混沌运动转变到大尺度周期运动的阈值),A Fr,且Fr+A稍大于Fc,Δω为绝对圆频差。化简式(2)得到:x″+cx′-x+x3= F(t)cos(t+θ(t))(3)其中:

　　由于A Fr,故θ(t)很小,可忽略其作用。则式(3变为:x″+cx′-x+x3= F(t)cost(6)

　　由式(6)得出如下结论:

　　1)Δω=0时,若φ满足-cos-1A2Fr≤φ≤cos-1A2Fr则有F(t)≥Fc,系统按外加周期力的周期大尺度振荡。若φ不在此范围有F(t)≤Fc,系统始终处于混沌运动状态。如图1所示。

　　2)Δω≠0时,总的策动力幅值F(t)将在Fr+A和Fr-A之间变化。此时,系统时而处于大尺度振荡状态,时而处于混沌运动状态,即系统出现间歇混沌现象。当Δω<0.03时,系统相变速度较慢,可以明显观察到间歇混沌现象。如图2所示。当Δω取值较大时,系统发生相变的速度较快,很难保持较长时间稳定的周期状态,间歇混沌现象很难辨别出来。这说明Duffing振子的相变对频差较大的周期干扰具有较强的免疫力。