0 引言

    流量計(jì)在工業(yè)上，如石油、化工、水電等部門的用途十分廣泛，是對(duì)液體流量檢測(cè)的設(shè)備。傳統(tǒng)流體流量計(jì)按工作方式主要有機(jī)械式、電阻式、電磁式、渦流式等類型。這些流量計(jì)一般精度較低，測(cè)量范圍較小，特別在一些不能將探頭置入測(cè)液體的特殊場(chǎng)合，根本無(wú)法使用。

    超聲波流量計(jì)作為一種新型的非接觸式流量計(jì)，不僅安裝方便，測(cè)試操作簡(jiǎn)單，維修便捷，而且由于是非接觸測(cè)量，不會(huì)象傳統(tǒng)流量計(jì)那樣影響被測(cè)流體流速。采用多普勒法的超聲波流量計(jì)，不僅可以進(jìn)行兩相流的測(cè)量，而且分辨率高，對(duì)流速變化響應(yīng)快，對(duì)流體的壓力、粘度和溫度等因素不敏感[1]，但由于精度較低，其應(yīng)用受到很大影響。若采用DSP處理器作為超聲波多普勒流量計(jì)的核心測(cè)量控制器，輔以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可使超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量精度得到大幅度的提高。

    1 超聲波多普勒流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理

    超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原理是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率，這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比。

    分別將超聲波的探頭放置在待測(cè)流體管道的兩側(cè)，一個(gè)發(fā)射連續(xù)的超聲波信號(hào)，另外一個(gè)接收。當(dāng)流體中存在懸浮粒子時(shí)，接收的超聲波信號(hào)由于多普勒效應(yīng)，其頻率與發(fā)射的超聲波信號(hào)會(huì)存在一個(gè)頻率差，根據(jù)此頻率差即可計(jì)算出流體的流速[2]。

    如圖一所示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到一顆固體粒子，該粒子以速度u沿管軸線運(yùn)動(dòng)。對(duì)超聲波發(fā)射器而言，該粒子以速度u cos α離去，所以粒子收到的超聲波頻率f₂為：

式中： f₁ ――發(fā)射超聲波的頻率；
       α――超聲波束與管軸線夾角；
       c ――流體中聲速。

    固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u(píng) cosα的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f₃為：

    將f₂的表達(dá)式代入上式可得：

    接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之間的頻率差，即多普勒頻移Δ f為：

    由于超聲波的速度遠(yuǎn)大于流體流速，所以上式可寫成

    由上式可得流體流速為：   

    體積流量為：

    ，其中A 為被測(cè)管道流通截面積。

    由以上流量方程可知，當(dāng)流量計(jì)、管道條件及被測(cè)介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測(cè)量頻移Δ f 就可以得到流體流量qv。

    2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

    硬件系統(tǒng)采用TMS320F240 DSP 為核心器件，該芯片是由美國(guó)TI（德州儀器）公司為滿足控制領(lǐng)域的應(yīng)用而推出的16位定點(diǎn)DSP，具有高性能、低功耗的DSP 內(nèi)核和的外圍接口電路。高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)及4種低電源模式使系統(tǒng)功率損耗很低； 較快的指令執(zhí)行速度（20MIPS）提高了控制能力； 集成的外圍接口電路使測(cè)量系統(tǒng)的電路大為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能更高； 豐富的外圍I/O 引腳，讓控制信號(hào)的劃分更加細(xì)致完善，具有更加精確的控制精度[3]。

    檢測(cè)系統(tǒng)的硬件框圖見圖二。首先超聲波發(fā)射探頭以一定角度向流體中發(fā)射1MHz的超聲波信號(hào)，接收探頭將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)窄帶陶瓷濾波器濾波后進(jìn)行信號(hào)放大，之后解調(diào)電路從中解調(diào)出頻偏信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻噪聲，經(jīng)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大后，送到TMS320F240 的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣數(shù)據(jù)在定時(shí)中斷服務(wù)程序中被送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

    TMS320F240 CPU 對(duì)所得到的數(shù)字序列進(jìn)行處理，得到頻偏值，再根據(jù)輸入的儀表參數(shù)進(jìn)行流速、流量、累計(jì)流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計(jì)算，而后這些量被送入指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供LCD 顯示、模擬量輸出等使用。

    3 軟件設(shè)計(jì)

    TMS320F240 上電后首先執(zhí)行初始化操作，包括初始化DSP 的系統(tǒng)參數(shù)、程序運(yùn)行中所需的常數(shù)和先前工作過(guò)程中設(shè)置的儀表參數(shù)等，并啟動(dòng)定時(shí)器1和定時(shí)器2。定時(shí)器1服務(wù)于A/D 采樣，定時(shí)器2 用來(lái)計(jì)時(shí)。然后調(diào)用A/D 子程序?qū)煊性肼暤臅r(shí)域多普勒頻偏信號(hào)進(jìn)行采樣，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散FFT 變換求取功率譜，利用功率譜分析和處理數(shù)據(jù)，得到頻偏值，之后再通過(guò)數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行處理，得到相對(duì)準(zhǔn)確的頻偏值，在此基礎(chǔ)上求取所需要的各種數(shù)據(jù)量，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出，然后進(jìn)行下一次的測(cè)量。

    4 數(shù)據(jù)處理

    目前，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的液體多普勒流量計(jì)在數(shù)據(jù)處理方面，基本上都是從時(shí)域出發(fā)，對(duì)噪聲的抑制能力較弱，因此，儀表在精度和穩(wěn)定性上性能都不夠好。利用頻域上的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以更有效的分離噪聲和有用信號(hào)，提高儀表的精度和穩(wěn)定性。

    由于超聲波反射信號(hào)來(lái)自流場(chǎng)中的一定區(qū)域，因此疊加的結(jié)果反映了該區(qū)域中粒子所產(chǎn)生的信號(hào)的某種加權(quán)平均，因而形成頻譜峰值位置的偏移及左右頻譜加寬的不確定性。所以多普勒頻譜的分布不僅僅受到了管道中流場(chǎng)分布的影響，當(dāng)取樣域足夠小，流速差別不大時(shí)，多普勒頻譜主要反映了取樣域內(nèi)聲場(chǎng)的不均勻性。

    多普勒頻譜中的有意義的而且相對(duì)較穩(wěn)定的信息是頻譜的平均峰值位置，這個(gè)位置與管道中心處的流速所相應(yīng)的多普勒頻率有近似相等的關(guān)系，因此，數(shù)據(jù)處理的主要工作就是找出頻譜的平均峰值位置[4]。

    功率譜分析在隨機(jī)信號(hào)處理中有著極其廣泛的應(yīng)用，是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程在頻域描述各頻率成分的功率分布情況的基本特征量。而多普勒信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)可以看成是一種廣義平穩(wěn)信號(hào)，故可以采用功率譜分析。周期圖法就是一種經(jīng)典譜分析的方法，這種方法直接用序列x（n）的FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率譜的估計(jì)，它對(duì)長(zhǎng)序列的計(jì)算精度高，對(duì)諧波的抑制能力強(qiáng)，處理非過(guò)零采樣的數(shù)據(jù)，計(jì)算精度不受影響。因此，系統(tǒng)采用周期圖法對(duì)多普勒頻譜進(jìn)行分析，同時(shí)輔以數(shù)字濾波技術(shù)，有效地解決了數(shù)字信號(hào)處理方法在應(yīng)用于超聲多普勒信號(hào)中存在的計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性這兩個(gè)問(wèn)題。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    與傳統(tǒng)的流體流量計(jì)相比，超聲波多普勒流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)明顯，在采用TMS320F240型DSP芯片作為主控芯片后，其優(yōu)勢(shì)更加突出。與普通單片機(jī)芯片相比，它具有更低的功耗，更快的運(yùn)算速度，對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力更強(qiáng)。利用其采用頻域分析技術(shù)后，系統(tǒng)的計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性都有了較好的提高。

    參考文獻(xiàn)

    [1]姚新益.超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)及誤差分析[J].計(jì)量技術(shù)，1999，8：40-42.
    [2]呂汗興，等.多聲道超聲多普勒流量計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1997，3：24-270.
    [3]張雄偉，等.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.[4]汪源源，等.超聲多普勒信號(hào)的頻譜分析[J].聲學(xué)技術(shù)，1998，17（2）：57-62.