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阻抗匹配抑制时差式气体超声波流量计零漂

随着天然气资源被越来越广泛地利用,计量行 业有必要提升测量如此大量输送的气体的计量准确 度。气体超声波流量计技术有着传统气体流量计量 技术(  比如孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计) 所没有的优点,它没有移动部件,不会产生额外压 差,适合任意组份气体情况,而且双向都能测量[1]。不仅如此,气体超声波流量计在运作时利用测量数 据可以自诊断。它快速的响应可以测量突发的流体 流量,并且结构简单,大大减少安装和维护成本[2], 特别适合大口径天然气测量[3]。 

气体超声波流量计信号处理方法主要包括时间差法、频差法和多普勒法[4]。时差法被大量运用在流量测量上,绝对传播时间和传播时间差是流体流速函数包含的两个关键量[5]。近几年国内一些公司在持续精进工业气体超声波流量计的同时,也逐渐投入更多财力到家用气体超声波流量计的研发,而家用与工业用的大的区别就是流量小、流速低。在家用的情况下,该方法终落实到小到几纳秒的延时时间测量,因为在低流速时传播时间差通常只有几纳秒,一般的流量计零漂同样也在纳秒数量级6,严重影响到

计量准确度。因此,零漂是衡量气体超声波流量计的一个重要指标。实际应用中一般用到干标法( dry calibration) 消除零点误差,但是该方法可能随着环境改变而失效,比如环境温度的变化7,由此换一角度提升顺、逆流两个回波信号的一致性,也就是提高流量计量系统的互易性,来抑制零漂。

著名的电声互易原理是: 对大多二端口线性电声网络,无论发生电声还是声电转换,两个端口之间的 传输阻抗是不变的[8]。然而在超声流量计领域,除非  加上特殊的电路,不然超声测量系统可能还是不能实 现互易性原理,零漂也还是存在。过去十几年内,互 易原理被研究者们多次提到。其中一种实现互易性 原理的方法是找到两个完全一样的超声波探头。2002  年Deventer  和Deising[9]用  Leach[10]的方法在等效电路上仿真出了顺逆流两路的回波波形。研究者 们对比了很多非系统的产生零漂的原因,指出当两个 探头参数一样时能达到互易性的条件。但由于探头 批量生产上达不到这一要求,是不可能从这个方向上 实现互易操作的。因此现在研究者们把精力投入到 从电路设计解决测量系统互易操作这方面。

本文首先论述时差法推出流速的计算概要,紧 接着提出时差法超声波流量计存在零点误差的主要 原因,通过分析超声波探头电路模型推导出同一探 头在发、收状态下谐振频率的变化,拟定阻抗匹配方 案维持谐振频率不变,设计出硬件电路作实验验证, 将测量结果和国家标准进行分析比对。所有实验数 据在宁波大学和杭州金卡公司测得。 

   1时差法测流速原理

   流量测量原理 

   气体超声波流量计测量流速的原理如图 1 所示。传输时间法导出

tdown 为超声波从探头 A B 的顺流传播时间; cf 为超声波在流体介质中传播的速度; V 为流体的线平均速度; Δt = tup -tdown 。

超声波传输路径 L ( 或管径 D) 和声道 Φ 的精

度是由流量计管路结构决定的,数值固定不变。传播时间 tup 和 tdown 一般是用阈值法和过零检测法结合来测量的[11]

如图 2 所示,该方法是在程序里设置一个特定的阈值,回波信号经过滤波放大采样后,取信号越过阈值后的弟一个过零点作为计时器结束信号12,得出传播时间 tup 和 tdown ,接着由式( 3) 得出流体线平

均流速 V[13]。瞬时体积流速 Q 由下式导出:

Q = AKReV( 4)

式中: A 是管道横截面积,Ke) 表示和雷诺数有关的修正系数。 

  • 零流速下的误差

为保证流量测量结果的正确性,除了需要传播时  间的结果准确,对于时差 Δt 的测量要求得更准确[14]。在零流速 V = 0 时,瞬时流量的计量往往存在比国标大的误差,将式( 1) 、式( 2) 改写为式( 5) 、式( 6) 。 

这种情况下式( 7) 中的 Δt =τup -τdown ,电路固有延时时差直接影响到零点误差的大小; 另一方面 tup 和 tdown 在微秒级,τup 和τdown 在纳秒级,对式( 3) 来说 是否将分母中的τ 从 t 中剔除对计算结果的影响在

109数量级,相对于国家标准的 105 数量级小太多,因此本文专注于研究导致零点误差的τup 和τdown 的时间差   Δt。接下来对探头激励、接收电路建模,分

τup 和τdown 产生的原因,以及提出解决方案。 

   1零漂的分析与抑制

   零漂问题建模下,每度的偏移就会产生 2.8 ns 的时移,这个量是非常大的。对于品质 Q 越高的探头,在谐振频率周围的相位变化就越快。

如图 3 所示,图 3( a) 是探头电路模型[15]C 、Cp2 表示探头的静态电容,Lr1 、Cr1 和 Lr2 、Cr2 表示探头发生机械谐振时的等效电路[16]。3( b) 是探头的幅频相频图,包含震动幅值随频率的变化曲线和相位

随频率的变化曲线,可见当探头激励频率分别在发收探头的谐振频率 Fr1 和 Fr2 上时,幅值大,且更为重要的相位偏移为零。对应的在式( 5) 和式( 6) 中

τup 和τdown 为零,若此时流速为零,那么式( 3)  的计算结果也应该就是零。但实验测量零流速下流量计的流速测量结果始终不为零,其实是 Fexc 跟 Fr1 和

Fr2不完全吻合使τup 和τdown 不为零才导致零点误差的。而且任意两个超声探头的热参数不尽相同,在温度变化时一对探头各自谐振频率变化也不完全一致,这是导致零漂的一个重要原因。 

激励信号频率 Fexc,与两探头谐振频率 Fr1 和 Fr2 ,实际应用中不能做到完全相等。如图 4 所示。 

两个探头受激而发射出的信号都存在一定程度的相位偏移,并且它们不一定相等。上图中两个偏移都是正相,意味着两个探头都给信号加上了正相的偏移,如若一正一负的偏移,那么它们可以在某顺流或者逆流测量时序内,在一定程度上抵消掉。这只是定性讨论,回到对这种不匹配影响大的因素上: 三个频率,Fexc 、Fr1 和 Fr2 。每一度的偏移就会引起 1 /360 周期的时移,当激励信号频率在 1 MHz 下,每度的偏移就会产生 2.8 ns 的时移,这个量是非常大的。对于品质 Q 越高的探头,在谐振频率周围的相位变化就越快。

由以上可知,谐振频率和激励频率的不相等会给传播时间引入零点误差,并且谐振频率会随时间而变化,比如探头表面的来自流体沉积的残渣,此外还会随温度而改变,长时间使用下来谐振频率和激励频率的偏差会越来越大,引起零漂问题。 

从表 2 可以看出,虽然阻抗匹配电路使得式( 10) 成立,理论上消除零点误差并抑制了零漂,但由于实 际电路中的非理想成分,使得测量系统的零点误差不 为零,并且零点随着温度变化而有一定程度的漂移。尽管如此,使用阻抗匹配后的电路,相较于匹配之前 的电路的零点误差和零漂有明显的改善。

阻抗匹配之前测量的常温下 20 ℃ 的时差均值为 29 ns 左右,同温度下加入阻抗匹配电路之后时差均值降低为 0.3  ns 左右,可见阻抗匹配消除了很大一部分的零点误差。加入阻抗匹配电路之前,温度在- 10 ℃ 到 40 ℃ 内变化时,零点误差相应的在10 ns 到 50 ns 左右的范围内变化,零漂的范围有 40 ns。加入阻抗匹配电路之后零漂的范围被抑制到 4 ns 左右,约在-2 ns 到 2 ns 内,相较于加入阻抗匹配电路之前有明显的抑制零漂的效果。

此次实验零点误差消除效果好的是温度为 20℃的一组。根据JJG( 浙) 30-2014 标准18,流量计 小检测流量 q   为 0.016 m3 / h,在分界流量 q   = 0.25 m3 / h 以下。依照 1.5 级燃气表大允许误差标准,零流速下的误差不能超过小检测流量的±3%,也就是 0.016×±3% = ±0.000 48 m3 / h。在本实验条件下,根据式( 4) 、式( 7) ,流量误差的限制等价为时间差误差的限制,时差允许变化范围± 0. 357  447  746  ns。

本实验中 20  ℃ 的零点误差均值为 0. 034  857  103

ns,标准差为 0.273 051 412 ns,符合小流量 1.5 级燃气表国家标准。在其他温度下虽然阻抗匹配起到一定抑制零漂的效果,但是由于周围电路的热参数变化,零点还是存在一定程度的漂移,将在后期作温度补偿以稳定零点。

通过实验数据验证了阻抗匹配消除零点误差和抑制零漂的效果,能够改善时差法气体超声波流量 计由于探头谐振频率不一致引起的测量误差,证明了其可行性。

  1结语

针对气体超声波流量计零点误差和零漂过大的问题,为了提升整体系统计量准确度,提出了一种新的通过匹配发射探头的输入阻抗和接收探头的输出阻抗方法,来对零流速下包含了零漂误差的信号进行处理。通过实验验证,该方法有效地提高了气体超声波流量计的计量准确度,具有可行性。

大量统计温漂数据以确定温度补偿算法来稳定测量系统在经过阻抗匹配之后的零点,是本研究下一步的主要工作。 

点击次数:  更新时间:2019-03-28  【打印此页】  【关闭

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