采用频谱分析技术的多普勒超声波流量计的研究

　　1引言

　　超声多普勒流量计是利用声波在流体中传播的多普勒效应研制成的流量测试装置。该装置安装于被测管道的外侧 ,不接触被测流体 ,不干扰流体的流动 ,无压力损失 ,维修方便 ,特别适用于有毒、有害、有腐蚀性和带有磨料的液体。该装置分辨率高 ,对流速变化响应快 ,对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感 ,没有零点飘移问题。因此 ,该类仪表在流量测量、企业管理及流量监测与控制中具有广阔的应用前景。目前 ,超声多普勒流量计仍处在不断完善的过程中 ,尽管国内外已经出现了一些不同形式的多普勒流量计,其测量精度受到一定的限制。

　　2 原理

　　虽然多普勒超声波流量计的精度受多方面的影响, 但其中有一重要影响是多普勒频移数值的估计,大部分流量计仍使用过零检测法,精度不高 。 超声多普勒信号是大量颗粒及气泡的背向散射形成的 ,而且多普勒信号是分布在发射频率附近的窄带信号, 根据统计理论得出平均速度与该窄带信号的平均频率之间具有较为固定的关系, 从而可以将对流速度的估计转换为对多普勒信号平均频率的估计 ,现在存在的平均频率估计方法有信号过零检测法 , 频谱分析法 ,锁相环路法等 ,这些方法在实现的复杂性和测量精度方面各有优缺点,其中 ,过零检测法由于其实现简单应用较为广泛 , 但是精度不高, 而且在理论上存在最大为15%的误差。测流体的流量实际上只要测得流体的流速即可,而流速是由测量多普勒频移获得的:

　　公式中us为流速, C 为声速, 为超声波传播方向与流体运动方向的夹角。f1和f2分别为发射波和反射波的频率, (f2- f1)视为频移。由于反射波不是单一波,而是不同距离上反射波的集合, 所以很难用简单的办法求得f2。后来提出用多普勒功率谱求多普勒频移:

　　p(f)为功率谱; 为平均频移。式(2) 是一个模拟量关系式; 现代仪器设备都朝着数字化方向发展, 即利用频谱分析的方法, 即通过数字采样获得信号数据, 再通过数值运算实现(2) 式, 由于式(2) 源于平均频率的定义, 所以是最好的平均频率估计方法, 但由于需要计算量大, 实施难度大, 现由于 DSP 技术的进步, 使此问题获得解决, 在此讨论通过 TMS32024X 系列DSP 来实现多谱勒流量测量的频谱分析方法。

　　3 离散化模型的建立

　　多普勒信号功率密度与相关函数是一对傅立叶变换:

　　4 硬件电路

　　本系统以TMS320F240DSP 为核心, 负责整个系统的调控和数据处理。 整个系统的硬件结构可分为超声波发射部分, 超声波接受部分及数字处理部分,发射探头发射已知的固定频率的独立的超声波信号,在此超声波频率为 500KHz。接收探头Y1 负责接收含有流体的流速信息的超声波; 接收到的超声波信号被前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信号, 再由TMS320F240 DSP 处理器内部的10 位A/D转换器进行采样得到差频信号的离散数据, 然后进行频谱析, 计算出平均频率, 从而得到流速值。