锁相接收和频谱分析在流量测量中的应用

0　引　言

多普勒效应测速是一个普遍采用的方法·用超声多普勒法测流体的流量的显著优越性是:①非接触测量;②适用于两相流(液-固,液-气,气-固)或更多相流的测量·问题是超声法中的接收信号混有强噪声,且接收的信号实际上是信息窗内所有粒子反射信号的总体效果,因而使信号的处理遇到麻烦·使用锁相跟踪窄带接收和频谱分析判决法可显著提高测量的精度、稳定性及可靠性·

1　测量原理与系统构成

测量系统构成如图1所示·系统中有两个微机系统,其一做人机对话使用,另一做实时测量及频谱分析·由接收探头来的混有强噪声的信号放大后,由锁相窄带环路提取多普勒频移,经A/D数字化后送入微机系统1做频谱分析与判决·

两机通过双口RAM交换数据·微机系统2使用下式计算流速与流量

式中　V———流体流速;　Q———流体流量;　C———介质声速; f1———发射频率;

fd———多普勒频移; k———流量修正系数;θ———声波与流线的夹角·

2　锁相窄带接收环路性能分析

2·1　环路组成

根据系统要求,使用了图2的窄带锁相环路来提取有用的信号·若使用普通信号调理电路,其通带宽度应允许fd=f2-f1无衰减地通过,如图3所示·而使用锁相接收机时,其带宽要窄得多·如图中的BL·相应地,信噪比将有很大提高·

2·2　环路性能分析

略去中放级的影响,且若参考信号不引入固定相移,则环路的传递函数为

其中　F (S)———环路滤波器的传递函数;

K0———VCO增益;

Kd———鉴相器增益;

α———限幅器增益·

当环路滤波器用高增益有源滤波器时,它的传递函数为

而τ1=R1C,τ2=R2C

其中　K0和Kd可从实测得出·选定C值即确定了R1、R2等滤波参数·

由此可得允许的输入信噪比

其中　Bi为中频带宽·

在以上参数情况下,输入信噪比可达-10 dB以上·

流速误差可由下式给出

其中　σ∑为总相位起伏,τ为取样时间·进而可知流量测量误差·

3　流速信号的分析与判决

流速信号采样后进行频谱分析·采样频率及样本点数由采样定理确定,且有