鄭曉宇,楊 鳴*,金定飛,聶西利

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.浙江天信超聲技術(shù)有限公司,杭州 310016;3.金卡高科技股份有限公司,杭州 310016)

隨著天然氣資源被越來越廣泛地利用,計(jì)量行業(yè)有必要提升測(cè)量如此大量輸送的氣體的計(jì)量準(zhǔn)確度。氣體超聲波流量計(jì)技術(shù)有著傳統(tǒng)氣體流量計(jì)量技術(shù)(比如孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì))所沒有的優(yōu)點(diǎn),它沒有移動(dòng)部件,不會(huì)產(chǎn)生額外壓差,適合任意組份氣體情況,而且雙向都能測(cè)量[1]。不僅如此,氣體超聲波流量計(jì)在運(yùn)作時(shí)利用測(cè)量數(shù)據(jù)可以自診斷。它快速的響應(yīng)可以測(cè)量突發(fā)的流體流量,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,大大減少安裝和維護(hù)成本[2],特別適合大口徑天然氣測(cè)量[3]。

氣體超聲波流量計(jì)信號(hào)處理方法主要包括時(shí)間差法、頻差法和多普勒法[4]。時(shí)差法被大量運(yùn)用在流量測(cè)量上,絕對(duì)傳播時(shí)間和傳播時(shí)間差是流體流速函數(shù)包含的兩個(gè)關(guān)鍵量[5]。近幾年國(guó)內(nèi)一些公司在持續(xù)精進(jìn)工業(yè)氣體超聲波流量計(jì)的同時(shí),也逐漸投入更多財(cái)力到家用氣體超聲波流量計(jì)的研發(fā),而家用與工業(yè)用的最大的區(qū)別就是流量小、流速低。在家用的情況下,該方法最終落實(shí)到小到幾納秒的延時(shí)時(shí)間測(cè)量,因?yàn)樵诘土魉贂r(shí)傳播時(shí)間差通常只有幾納秒,一般的流量計(jì)零漂同樣也在納秒數(shù)量級(jí)[6],嚴(yán)重影響到計(jì)量準(zhǔn)確度。因此,零漂是衡量氣體超聲波流量計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中一般用到干標(biāo)法(dry calibration)消除零點(diǎn)誤差,但是該方法可能隨著環(huán)境改變而失效,比如環(huán)境溫度的變化[7],由此換一角度提升順、逆流兩個(gè)回波信號(hào)的一致性,也就是提高流量計(jì)量系統(tǒng)的互易性,來抑制零漂。

著名的電聲互易原理是:對(duì)大多二端口線性電聲網(wǎng)絡(luò),無論發(fā)生電聲還是聲電轉(zhuǎn)換,兩個(gè)端口之間的傳輸阻抗是不變的[8]。然而在超聲流量計(jì)領(lǐng)域,除非加上特殊的電路,不然超聲測(cè)量系統(tǒng)可能還是不能實(shí)現(xiàn)互易性原理,零漂也還是存在。過去十幾年內(nèi),互易原理被研究者們多次提到。其中一種實(shí)現(xiàn)互易性原理的方法是找到兩個(gè)完全一樣的超聲波探頭。2002年Deventer和Deising[9]用Leach[10]的方法在等效電路上仿真出了順逆流兩路的回波波形。研究者們對(duì)比了很多非系統(tǒng)的產(chǎn)生零漂的原因,指出當(dāng)兩個(gè)探頭參數(shù)一樣時(shí)能達(dá)到互易性的條件。但由于探頭批量生產(chǎn)上達(dá)不到這一要求,是不可能從這個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)互易操作的。因此現(xiàn)在研究者們把精力投入到從電路設(shè)計(jì)解決測(cè)量系統(tǒng)互易操作這方面。

本文首先論述時(shí)差法推出流速的計(jì)算概要,緊接著提出時(shí)差法超聲波流量計(jì)存在零點(diǎn)誤差的主要原因,通過分析超聲波探頭電路模型推導(dǎo)出同一探頭在發(fā)、收狀態(tài)下諧振頻率的變化,擬定阻抗匹配方案維持諧振頻率不變,設(shè)計(jì)出硬件電路作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,將測(cè)量結(jié)果和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比對(duì)。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在寧波大學(xué)和杭州金卡公司測(cè)得。

圖1 時(shí)差法測(cè)流速原理圖

1 時(shí)差法測(cè)流速原理

1.1 流量測(cè)量原理

氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量流速的原理如圖1所示。

傳輸時(shí)間法導(dǎo)出平均線流速的公式如下

(1)

(2)

(3)

式中:tup為超聲波從探頭B到A的逆流傳播時(shí)間;tdown為超聲波從探頭A到B的順流傳播時(shí)間;cf為超聲波在流體介質(zhì)中傳播的速度;V為流體的線平均速度;Δt=tup-tdown。

超聲波傳輸路徑L(或管徑D)和聲道Φ的精度是由流量計(jì)管路結(jié)構(gòu)決定的,數(shù)值固定不變。傳播時(shí)間tup和tdown一般是用閾值法和過零檢測(cè)法結(jié)合來測(cè)量的[11]。

如圖2所示,該方法是在程序里設(shè)置一個(gè)特定的閾值,回波信號(hào)經(jīng)過濾波放大采樣后,取信號(hào)越過閾值后的第一個(gè)過零點(diǎn)作為計(jì)時(shí)器結(jié)束信號(hào)[12],得出傳播時(shí)間tup和tdown,接著由式(3)得出流體線平均流速V[13]。瞬時(shí)體積流速Q(mào)由下式導(dǎo)出:

Q=AK(Re)V

(4)

式中:A是管道橫截面積,K(Re)表示和雷諾數(shù)有關(guān)的修正系數(shù)。

圖2 閾值法和過零檢測(cè)法示意圖

1.2 零流速下的誤差

為保證流量測(cè)量結(jié)果的正確性,除了需要傳播時(shí)間的結(jié)果準(zhǔn)確,對(duì)于時(shí)差Δt的測(cè)量要求得更精確[14]。在零流速V=0時(shí),瞬時(shí)流量的計(jì)量往往存在比國(guó)標(biāo)大的誤差,將式(1)、式(2)改寫為式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中:τdown、τup分別為順、逆流電路固有延時(shí)。接著式(3)改寫為

(7)

這種情況下式(7)中的Δt=τup-τdown,電路固有延時(shí)時(shí)差直接影響到零點(diǎn)誤差的大小;另一方面tup和tdown在微秒級(jí),τup和τdown在納秒級(jí),對(duì)式(3)來說是否將分母中的τ從t中剔除對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在10-9數(shù)量級(jí),相對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的10-5數(shù)量級(jí)小太多,因此本文專注于研究導(dǎo)致零點(diǎn)誤差的τup和τdown的時(shí)間差Δt。接下來對(duì)探頭激勵(lì)、接收電路建模,分析τup和τdown產(chǎn)生的原因,以及提出解決方案。

2 零漂的分析與抑制

2.1 零漂問題建模

如圖3所示,圖3(a)是探頭電路模型[15]。Cp1、Cp2表示探頭的靜態(tài)電容,Lr1、Cr1和Lr2、Cr2表示探頭發(fā)生機(jī)械諧振時(shí)的等效電路[16]。3(b)是探頭的幅頻相頻圖,包含震動(dòng)幅值隨頻率的變化曲線和相位隨頻率的變化曲線,可見當(dāng)探頭激勵(lì)頻率分別在發(fā)收探頭的諧振頻率Fr1和Fr2上時(shí),幅值最大,且更為重要的相位偏移為零。對(duì)應(yīng)的在式(5)和式(6)中的τup和τdown為零,若此時(shí)流速為零,那么式(3)的計(jì)算結(jié)果也應(yīng)該就是零。但實(shí)驗(yàn)測(cè)量零流速下流量計(jì)的流速測(cè)量結(jié)果始終不為零,其實(shí)是Fexc跟Fr1和Fr2不完全吻合使τup和τdown不為零才導(dǎo)致零點(diǎn)誤差的。而且任意兩個(gè)超聲探頭的熱參數(shù)不盡相同,在溫度變化時(shí)一對(duì)探頭各自諧振頻率變化也不完全一致,這是導(dǎo)致零漂的一個(gè)重要原因。

圖3 發(fā)收探頭電路模型

圖4 頻率與相位偏移示意圖

激勵(lì)信號(hào)頻率Fexc,與兩探頭諧振頻率Fr1和Fr2,實(shí)際應(yīng)用中不能做到完全相等。如圖4所示。

兩個(gè)探頭受激而發(fā)射出的信號(hào)都存在一定程度的相位偏移,并且它們不一定相等。上圖中兩個(gè)偏移都是正相,意味著兩個(gè)探頭都給信號(hào)加上了正相的偏移,如若一正一負(fù)的偏移,那么它們可以在某個(gè)順流或者逆流測(cè)量時(shí)序內(nèi),在一定程度上抵消掉。這只是定性討論,回到對(duì)這種不匹配影響最大的因素上:三個(gè)頻率,Fexc、Fr1和Fr2。每一度的偏移就會(huì)引起1/360周期的時(shí)移,當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率在1 MHz下,每度的偏移就會(huì)產(chǎn)生2.8 ns的時(shí)移,這個(gè)量是非常大的。對(duì)于品質(zhì)Q越高的探頭,在諧振頻率周圍的相位變化就越快。

由以上可知,諧振頻率和激勵(lì)頻率的不相等會(huì)給傳播時(shí)間引入零點(diǎn)誤差,并且諧振頻率會(huì)隨時(shí)間而變化,比如探頭表面的來自流體沉積的殘?jiān)?此外還會(huì)隨溫度而改變,長(zhǎng)時(shí)間使用下來諧振頻率和激勵(lì)頻率的偏差會(huì)越來越大,引起零漂問題。

2.2 電路角度分析零漂

現(xiàn)在切換兩個(gè)探頭的發(fā)收狀態(tài),結(jié)合順、逆流兩種情況討論。如圖5所示。

圖5 順逆流測(cè)量下頻率偏移示意圖

圖5(a)是同一對(duì)探頭的順、逆流兩種測(cè)量電路。保留激勵(lì)頻率不變,加上諧振頻率不變(兩個(gè)探頭沒變),因此順逆流兩種情況下兩個(gè)探頭各自的相位偏移保持不變,如圖5(b),使得無論順流、逆流傳播時(shí)間中都包含了相等的相位偏移,有τup=τdown。既然如此,那么所測(cè)得的相對(duì)傳播時(shí)間差Δt=0,不存在流量零點(diǎn)誤差,然而實(shí)際中的測(cè)量還是有不小的零點(diǎn)誤差存在,說明τup和τdown不相等,接下來從電路具體參數(shù)角度分析。

一般激勵(lì)端Tx輸出阻抗非常小,以至于Cp1被短路,如圖6發(fā)射探頭紅色網(wǎng)絡(luò)所示。探頭接入激勵(lì)端前后的諧振頻率變化表示為

而接收端Rx的輸出阻抗極高相當(dāng)于開路,如圖6右側(cè)紅色網(wǎng)絡(luò)所示。探頭接入接收端前后無變化,Cp2和Cr2成串聯(lián)形式,諧振頻率表示為

由以上可知,當(dāng)探頭接到激勵(lì)端時(shí),諧振頻率發(fā)生變化;當(dāng)探頭接到接收端時(shí),諧振頻率不變。

圖6 收發(fā)兩種情況下探頭電路參數(shù)變化圖

根據(jù)圖1,逆流(upstream)測(cè)量時(shí)探頭B接到激勵(lì)端Tx,A接到接收端Rx,引入的逆流相位偏移可列為

φupstream=φ(B,Tx)+φ(A,Rx)

(8)

φ(B,Tx)表示探頭B連接激勵(lì)Tx時(shí)引入的相位偏移,以下這類表示都為這個(gè)含義。

順流(downstream)測(cè)量時(shí),探頭B連接Rx,A連接Tx,此時(shí)相位偏移寫作

φdownstream=φ(B,Rx)+φ(A,Tx)

(9)

式(8)、式(9)兩式中右側(cè)的四個(gè)相位偏移都不相同,無法保證順逆流相位偏移φupstream和φdownstream是一致的,這也就導(dǎo)致τup和τdown不相等的原因。

為了專注于研究電路匹配與相位偏移的關(guān)系,因此先假設(shè)兩個(gè)超聲波探頭完全一樣,那么這一對(duì)超聲波探頭的電路參數(shù)一模一樣,順逆流相位偏移公式變?yōu)?/p>

φupstream=φ(X,Tx)+φ(X,Rx)

φdownstream=φ(X,Rx)+φ(X,Tx)

這里φ的變量X表示任意探頭A或B。也就是說當(dāng)兩個(gè)探頭完全一樣時(shí),考慮進(jìn)探頭發(fā)收狀態(tài)諧振頻率變化,順逆流相位偏移依然是相等的,不存在零點(diǎn)誤差,也不會(huì)產(chǎn)生零漂。

接著假設(shè)兩個(gè)探頭不一樣,只是它們接到激勵(lì)端Tx時(shí)阻抗不發(fā)生變化,電路結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,由圖5 和諧振頻率公式可知此時(shí)發(fā)收探頭的諧振頻率一樣,所以相位偏移公式改寫為

φupstream=φ(B,X)+φ(A,X)
φdownstream=φ(B,X)+φ(A,X)

(10)

這里X表示無論發(fā)、收狀態(tài)。由此可知,只要讓探頭在接到激勵(lì)端時(shí)阻抗不發(fā)生變化,那么就能使順逆流相位偏移相等,也就使電路順逆流固有延時(shí)相等,消除零點(diǎn)誤差;并且當(dāng)探頭諧振頻率Fr1(或Fr2)發(fā)生漂移時(shí),保證Fr1(或Fr2)和激勵(lì)信號(hào)頻率Fexc偏差變化在一定范圍內(nèi),要求探頭發(fā)射信號(hào)幅值不至于過低而使得接收到的信號(hào)被噪聲淹沒影響測(cè)量,在此前提下只要使同一探頭收發(fā)狀態(tài)的諧振頻率一致,依然可以消除零點(diǎn)誤差,抑制零漂。

2.3 阻抗匹配

以上先提出超聲波探頭的電路模型,然后分析零點(diǎn)誤差產(chǎn)生的一個(gè)主要原因是探頭收發(fā)狀態(tài)下諧振頻率不一致,諧振頻率存在差別使探頭在收、發(fā)兩個(gè)狀態(tài)下電路參數(shù)的變化,現(xiàn)提出兩種解決電路參數(shù)不一致的方法:①確保兩個(gè)探頭完全匹配;②確保激勵(lì)端Tx的輸出阻抗和接收端Rx的輸入阻抗完全匹配。第一種顯然是不可行的,目前還沒有批量生產(chǎn)工藝能達(dá)到要求。那么從第二種方法入手。這一對(duì)探頭是會(huì)不停切換發(fā)收狀態(tài)的,因此實(shí)際電路連接上都會(huì)有連接到激勵(lì)端Tx和接收端Rx的電路。如圖7所示。

圖7 探頭阻抗匹配電路

解決方法是分別在兩個(gè)Tx激勵(lì)端和兩個(gè)探頭之間串聯(lián)一對(duì)匹配好的電容,當(dāng)順流或者逆流測(cè)量且Tx端處于休眠狀態(tài)沒有產(chǎn)生激勵(lì)時(shí),從此探頭看過去的輸出阻抗就是未加電阻前的輸出阻抗和電容的串聯(lián),此時(shí)就不會(huì)發(fā)生Cp1被短路的情況。

設(shè)在某個(gè)測(cè)量時(shí)序中,如圖7,左發(fā)射右接收,此時(shí)探頭諧振頻率為:

而Rx端始終是和探頭直接相連,電路參數(shù)與之前保持一致,其諧振頻率為:

在緊接著的測(cè)量時(shí)序中,兩個(gè)探頭交換發(fā)、收狀態(tài),但由于阻抗匹配影響,它們的諧振頻率各自不變,也就是相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)頻率Fexc不變,使得式(10)成立,消除零點(diǎn)誤差;當(dāng)溫度或其他原因?qū)е聝蓚€(gè)探頭諧振頻率變化時(shí),經(jīng)由阻抗匹配依然能使探頭在當(dāng)前條件下保持發(fā)收狀態(tài)下諧振頻率一致,式(10)依然成立,消除零點(diǎn)誤差,抑制了零漂。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由微控制單元(MCU),電荷放大器(AMP),模擬開關(guān)(SW)和超聲波傳感器(T)四個(gè)方面構(gòu)成,如圖8所示。

圖8 電路模塊示意圖

3.1 傳感器阻抗匹配電路

CH0_OUT、CH1_OUT是單片機(jī)引出的兩個(gè)激勵(lì)引腳,對(duì)應(yīng)于第3節(jié)里提到的激勵(lì)端Tx,分別在順逆流測(cè)量中產(chǎn)生脈沖,來激勵(lì)對(duì)應(yīng)連接的傳感器T0、T1。

圖9 探頭阻抗匹配電阻

如圖9,作為阻抗匹配的電容和探頭實(shí)質(zhì)上是串聯(lián)關(guān)系,激勵(lì)信號(hào)會(huì)在電容上產(chǎn)生分壓,削弱探頭受到的激勵(lì),導(dǎo)致接收信號(hào)幅值相應(yīng)減小?？紤]到探頭上激勵(lì)信號(hào)衰減程度和MCU激勵(lì)引腳與地之間的隔離效果,本設(shè)計(jì)選取3.3 nF的電容作為阻抗匹配器件,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。電容在激勵(lì)頻率為400 kHz時(shí)阻抗為758 Ω,用于抬高激勵(lì)端輸出阻抗,使得探頭靜態(tài)電容不被短路掉,保證同一探頭在發(fā)、收狀態(tài)下諧振頻率不變,保持順逆流電路固有延時(shí)一致,消除零漂。圖中兩個(gè)虛線框里分別加了一條連接大電阻接地的通路,是探頭的高阻泄放電路[17]。由于超聲探頭具有感性和容性,受到激勵(lì)后會(huì)有電荷殘留,將探頭和加入的匹配電容看作整體,此時(shí)接到并聯(lián)的大電阻能夠?qū)埩綦姾尚狗诺?以免影響探頭信號(hào)接收。

3.2 模擬開關(guān)電路

系統(tǒng)模擬開關(guān)電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 模擬開關(guān)電路

由圖8,本設(shè)計(jì)里SW0的COM腳連接放大器輸入端和匹配電路,SW1的COM腳通過另一匹配電路接地。

T0和T1輪流作為超聲信號(hào)發(fā)收傳感器,隨著兩個(gè)模擬開關(guān)芯片切換選通狀態(tài),只讓當(dāng)前接收傳感器的信號(hào)送入放大器,接著送入單片機(jī)做進(jìn)一步放大和采樣。

兩個(gè)模擬開關(guān)的工作方式如表1所示。

表1 模擬開關(guān)芯片工作方式

當(dāng)T0作為發(fā)射傳感器,T1作為接收傳感器時(shí),SW0和SW1的IN腳給高,NO和COM腳連通。那么在該信號(hào)采集時(shí)序內(nèi),發(fā)射傳感器T0的正極通過匹配電路接地,接收傳感器T1的正極接入放大器輸入腳。接下來的時(shí)序內(nèi)T0、T1切換收發(fā)狀態(tài),IN腳給低,如此循環(huán)測(cè)量。

在某個(gè)順流(或逆流,視兩個(gè)探頭安裝順序而定,這里只作為說明)測(cè)量時(shí)序內(nèi),依據(jù)圖8,系統(tǒng)先將模擬開SW0的1腳選通,與放大器的輸入端和阻抗匹配電路連通;SW1的1腳選通,與另一匹配電路連接后接入地。激勵(lì)信號(hào)從引腳CH0_OUT發(fā)出,傳感器T0受到激勵(lì)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,也就是聲波,同時(shí)該信號(hào)經(jīng)SW1輸出腳匹配電路接地。和T0相對(duì)的傳感器T1收到聲波后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,電信號(hào)經(jīng)SW0輸出給放大器,進(jìn)而送入MCU的片上放大PGA(程序控制增益)和ADC采樣模塊。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)片上運(yùn)算資源計(jì)算出流速,體積流量等結(jié)果,也可以從串口傳輸給上位機(jī)分析。

3.3 放大器匹配電路

接收傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)從SW0出來后經(jīng)過濾波輸入給運(yùn)放,而該運(yùn)放正腳接3.3 V電源,負(fù)腳接地,因此給輸入信號(hào)加上1.5 V偏置電壓避免放大失真。引入電壓偏置電路后為了匹配放大器輸入阻抗,在另一個(gè)模擬開關(guān)SW1輸出腳接上匹配電路,保證信號(hào)放大效果。

圖11 放大器與匹配電路圖

3.4 電路零漂測(cè)試

經(jīng)過片外運(yùn)放放大的順逆流的超聲波接收信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)片內(nèi)程控放大(PGA)和采樣(ADC)后存儲(chǔ)在單片機(jī)存儲(chǔ)上,給板載顯示模塊顯示。本文將數(shù)據(jù)從單片機(jī)上下載出來,用MATLAB軟件進(jìn)行相關(guān)法驗(yàn)算。

實(shí)驗(yàn)激勵(lì)信號(hào)頻率為400 kHz、3.3 V的方波信號(hào),每次激勵(lì)持續(xù)30個(gè)周期,所用探頭中心(諧振)頻率在400 kHz左右,單片機(jī)采樣頻率為4 MHz。

流量實(shí)驗(yàn)用流道為長(zhǎng)25 mm寬9 mm的矩形流道,這樣的流道下測(cè)量流量計(jì)流速比圓形流道好。超聲傳播信號(hào)的流道在同樣的一個(gè)最大尺寸下(直接影響到超聲波傳播時(shí)間測(cè)量),矩形流道的橫截面積比圓形流道小,比如圓形流道直徑也是25 mm時(shí),矩形流道橫截面積要小一半以上。由理論公式

V=Q/A

可以看出,在相同流速下,橫截面積越小流量越小,因此矩形流道能感知到更小的流量。兩個(gè)超聲波傳感器安插在流道的窄邊,與流道軸線呈40°角對(duì)射,即圖1中的D=25 mm,式(3)中L=D/sin40°。

順逆流傳播時(shí)間測(cè)量用到第2節(jié)提到的閾值法和過零檢測(cè)法,傳播時(shí)間差的計(jì)算用到相關(guān)法,能有效的消除順逆流測(cè)量電路固有延時(shí)帶來的誤差,流速由式(7)計(jì)算得出,瞬時(shí)流量由式(4)計(jì)算得出。本次實(shí)驗(yàn)取溫度為變量,數(shù)據(jù)從-10 ℃到40 ℃范圍間隔10 ℃檢驗(yàn),一共6組,每組測(cè)得100次零點(diǎn)誤差數(shù)據(jù),取算術(shù)平均值和計(jì)算出均方差,如表2所示。

表2 零漂測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2可以看出,雖然阻抗匹配電路使得式(10)成立,理論上消除零點(diǎn)誤差并抑制了零漂,但由于實(shí)際電路中的非理想成分,使得測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)誤差不為零,并且零點(diǎn)隨著溫度變化而有一定程度的漂移。盡管如此,使用阻抗匹配后的電路,相較于匹配之前的電路的零點(diǎn)誤差和零漂有明顯的改善。

阻抗匹配之前測(cè)量的常溫下20 ℃的時(shí)差均值為29 ns左右,同溫度下加入阻抗匹配電路之后時(shí)差均值降低為0.3 ns左右,可見阻抗匹配消除了很大一部分的零點(diǎn)誤差。加入阻抗匹配電路之前,溫度在-10 ℃到40 ℃內(nèi)變化時(shí),零點(diǎn)誤差相應(yīng)的在10 ns到50 ns左右的范圍內(nèi)變化,零漂的范圍有40 ns。加入阻抗匹配電路之后零漂的范圍被抑制到4 ns左右,約在-2 ns到 2 ns內(nèi),相較于加入阻抗匹配電路之前有明顯的抑制零漂的效果。

此次實(shí)驗(yàn)零點(diǎn)誤差消除效果最好的是溫度為20 ℃的一組。根據(jù)JJG(浙)30-2014標(biāo)準(zhǔn)[18],流量計(jì)最小檢測(cè)流量qmin為0.016 m3/h,在分界流量qmin=0.25 m3/h以下。依照1.5級(jí)燃?xì)獗碜畲笤试S誤差標(biāo)準(zhǔn),零流速下的誤差不能超過最小檢測(cè)流量的±3%,也就是0.016×±3%=±0.000 48 m3/h。在本實(shí)驗(yàn)條件下,根據(jù)式(4)、式(7),流量誤差的限制等價(jià)為時(shí)間差誤差的限制,時(shí)差允許變化范圍±0.357 447 746 ns。本實(shí)驗(yàn)中20 ℃的零點(diǎn)誤差均值為0.034 857 103 ns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.273 051 412 ns,符合最小流量1.5級(jí)燃?xì)獗韲?guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在其他溫度下雖然阻抗匹配起到一定抑制零漂的效果,但是由于周圍電路的熱參數(shù)變化,零點(diǎn)還是存在一定程度的漂移,將在后期作溫度補(bǔ)償以穩(wěn)定零點(diǎn)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了阻抗匹配消除零點(diǎn)誤差和抑制零漂的效果,能夠改善時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)由于探頭諧振頻率不一致引起的測(cè)量誤差,證明了其可行性。

4 結(jié)語

針對(duì)氣體超聲波流量計(jì)零點(diǎn)誤差和零漂過大的問題,為了提升整體系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確度,提出了一種新的通過匹配發(fā)射探頭的輸入阻抗和接收探頭的輸出阻抗方法,來對(duì)零流速下包含了零漂誤差的信號(hào)進(jìn)行處理。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法有效地提高了氣體超聲波流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度,具有可行性。

大量統(tǒng)計(jì)溫漂數(shù)據(jù)以確定最佳溫度補(bǔ)償算法來穩(wěn)定測(cè)量系統(tǒng)在經(jīng)過阻抗匹配之后的零點(diǎn),是本研究下一步的主要工作。