D82A数据采集卡在超声波氯气流量中的应用

    本文论述了将D82A数据采集卡应用到超声波氯气流量计中,通过对采集数据的分析,精确地确定超声波传播的声时和声时差。本文主要是讨论数据处理的方法。最后,作者对结果进行了讨论并和其它超声波测流量的方法作了比较。

    1　引　言

    利用超声波对氯气流量进行测量是目前测量氯气流量较好的一种方法。根据测量原可分为时差法、相差法、声时法几种,其测量原理均基于利用超声波确定氯气流速。本文将D82A数据采集卡引入测量中,并将声时法和时差法相结合,力求较精确地确定氯气在管道中的流速,为计算流量打好基础。

    2　流量测定原理

    图1为超声波氯气流量计的原理图。在氯气管道中斜装着一对超声波探头,它们之间的距离为超声波的传播声程(设为L,它与测量管道轴向夹角为H)。通过推导可以得到氯气流速公式:

    其中:ts为超声波顺气流传播时到达接收探头的声时;tn为超声波逆气流传播时到达接收探头的声时;$t为两者之差。

    两个探头交替发射并交替接收超声波。探头2发射时,D82A数据采集卡先采集上探头1接收到的数据,得到采样序列CH1(n);然后探头1发射,采集卡又采集下探头2接收到的数据,得到采样序列CH2(n),序列中点的序数与采样周期的乘积即该点所代表的时间。通过分析CH1(n)和CH2(n),可以精确地确定出$t和ts,从而准确地求出氯气流速v。　　

    3　数据处理

    公式(1)中的第1、2式看上去并没有实质上的区别,但作者采用了第2式:

    分析可见,一般情况下,$t和ts与tn的比值的数量级为千分之一,因而ts与tn1%的误差引起$t的误差将可能到10%,相应引起氯气流速v的速差可能到10%,这显然是不能满足测量要求的。另外,由于两个探头不可能完全一样,响应脉冲时间和电路延迟时间也不一样,这样又给$t带入了系统误差,因此,计算出ts与tn再代入公式(1)计算氯气流速的方法是行不通的。

    3.1　ts的计算

    CH2(n)为超声波顺气流方向传播时所得到的采样序列,通过处理CH2(n)即可得到顺流传播声时ts。由于采集所得的信号噪声成份很多,为了处理方便,在处理之前先进行了数字滤波。图2为CH2(n)经数字滤波后的波形(在超声波未传播到接收探头时信号为零部分已略去),X轴为采样序列中各采样点的序数,Y轴为采样值。接收探头在接收到超声激励脉冲后开始产生信号,因而只要找到该波形第1个周期的起始点(即图2中的点O),就可确定出传播声时。

    分析图2,可以得到以下几个结论:

    (1)　第1个周期的波形振幅很小,而前面的信号也不是绝对为零,因而通过编程很难直接确定其位置;