选带细化频谱分析在超声波流量测量中的应用

　　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[1,2],然而现有多普勒超声波流量计仍存在以下问题:不能判断流速方向;低流速测量困难;动态响应速度慢、实时性差;相对时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比较低[3,4].这些缺点极大地限制了超声多普勒流量计的推广和使用.目前超声多普勒流量计一般只在一些特殊场合下使用,比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等.

　　1　超声波多普勒法测量原理

　　课题研究的连续波多普勒(CW Doppler)模型[5]用一对斜探头垂直对称外夹安装在管道外侧,如图1所示.

　　发射探头产生的连续波超声信号经声楔和管壁进入运动中的流体,并被随流体一起运动的颗粒、气泡等可以散射超声波信号的物质散射而进入接收探头.发射信号与接收信号之间将因多普勒效应而产生联系.

　　2　超声波回波信号分析[6]

　　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

　　式中:αi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.发射信号频率ω0一般较高,直接对s(t)进行频谱分析存在两个方面的问题:①需要较高的采样率fs;②频率分辨率Δf=fs/N,在高采样率的情况下,要获得较高的频率分辨率则N必须足够大,通常会超出存储空间的能力.一般需要对s(t)进行解调,以抽取其中的多普勒频移,便于进行后续的频谱分析.

　　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

　　3　选带细化频谱分析[7]

　　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,一般在医学领域中使用[8],不适用于工业管道流量测量方面的应用.本文提出一种解调到中频基准的方法来实现流速方向的判断:

　　令sr(t)=cosωrt,其中ωr=ω0-ωc,ωc=2πfc,fc为中频基准频率.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