杜文廣，翟金龍

（太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所，山西太原030024）

流量測量與人們的生活息息相關(guān)。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，人們就已經(jīng)開始關(guān)注灌溉水的流量測量了。現(xiàn)在，流量測量在工業(yè)生產(chǎn)、過程控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)中都起著十分重要的作用。

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上流體流速的信息。因此，通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量，這就是超聲波流量計(jì)的測量原理。使用超聲波流量計(jì)，不需要在流體中安裝測量元件，所以不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行，因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。

超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測的方式，可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。其中，超聲波多普勒流量計(jì)除具有一般超聲波儀器的特點(diǎn)外，還有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如對(duì)流速變化響應(yīng)快，對(duì)流體的壓力、粘度、溫度、密度和導(dǎo)電率等因素不敏感，沒有零點(diǎn)漂移問題，測量條件不變時(shí)儀表重復(fù)性好，價(jià)格比較便宜等。超聲波多普勒流量計(jì)適用于測量兩相流的場合，而能夠用在兩相流場合的流量計(jì)是比較少的。本文采用多普勒法為基本原理，來研究基于DSP的超聲波流量計(jì)。

1 多普勒法的測量原理

1.1 工作原理

多普勒法測流量的基本原理是：把發(fā)射的超聲波入射到流動(dòng)的流體中，被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的顆粒反射到接收器，接收到的反射聲波與發(fā)射聲波之間產(chǎn)生頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移，它正比于流體流速，因此測量頻差即可求得流速，將測得的平均流速乘以相應(yīng)的流通截面積即可求得容積流量。

利用多普勒效應(yīng)測量的必要條件是：被測流體中必須有足夠的具有反射本領(lǐng)的顆粒，才能得到一定強(qiáng)度的信號(hào)使儀表正常工作。因此，多普勒超聲波流量計(jì)只有當(dāng)被測流體中存在一定數(shù)量的懸浮顆粒、氣泡或有反射本領(lǐng)的其他粒子時(shí)才能工作。多普流量計(jì)適用于測量兩相流的場合，這正是其他流量計(jì)難以解決的。

1.2 流量方程

如圖1所示，當(dāng)多普勒流量計(jì)的發(fā)射換能器以一定的角度θ向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)超聲波時(shí)，流體中的懸浮顆粒體將聲波發(fā)射到接收換能器，因?yàn)閼腋☆w粒隨著流體在流動(dòng)，所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移Δf。設(shè)頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2，超聲波在被測流體中的傳播速度（傳聲速度）為c，顆粒反射體以與被測流體相同的流速μ運(yùn)動(dòng)，收、發(fā)兩超聲波束與流體相間的夾角均為θ，則根據(jù)多普勒效應(yīng)，多普勒頻移Δf用下式表示：

由式（1）可知，多普勒頻移Δf與發(fā)射頻率f1及流體流速μ成正比，與介質(zhì)的傳聲速度c成反比。當(dāng)發(fā)射頻率f1與聲速c恒定時(shí)，多普勒頻移Δf正比于流速μ，即測量Δf可反映流速μ。流速μ與Δf的關(guān)系由式（1）可得

圖1 多普勒效應(yīng)示意圖Fig.1Sketch map of Doppler effect

容積流量Q與多普勒頻移Δf的關(guān)系式為

式中，S——管道流通截面積。

式（3）為多普勒流量計(jì)的理論方程式。由此式可知，當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)及測量條件確定后，頻移與容積流量成正比，測量頻移可反映流體流量[1]。

1.3 工作頻率的確定[2]

工作頻率是本文研究的流量計(jì)首先考慮的問題。流量計(jì)的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關(guān)系。在實(shí)際的流體中，粒子的性質(zhì)差別非常大。為了討論簡單，具有代表性，假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球，置于超聲波聲場中，超聲波以平面波方式傳播的，在考慮吸收與散射衰減條件下，聲波衰減與振幅、距離有如下關(guān)系：

總衰減量

式中，P0是發(fā)射面處的聲壓，Px是接受面處的聲壓，α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中，α主要由3種因素形成，即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波，所以主要研究散射衰減。

本文研究的流量計(jì)的工作頻率的選取應(yīng)使λ＞2πα，但也不要過大，以免只存在繞射。一般選λ/2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好，這時(shí)由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)根據(jù)平均粒徑來選擇工作頻率。關(guān)于粘滯衰減和摩擦衰減，實(shí)際這兩個(gè)量與流體性質(zhì)、粒子濃度及大小等均有關(guān)，他們也會(huì)影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小，即直接影響測量結(jié)果，不過，一般情況下處于次要地位。對(duì)于氣泡的分析與顆粒結(jié)果類似。工業(yè)測量中超聲波頻率的選擇在500 kHz～2.5 MHz之間。本文研究的超聲波流量計(jì)的工作頻率選擇640 kHz。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要分為3個(gè)模塊，分別是發(fā)射模塊，接收模塊，處理與控制模塊。圖2為系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)硬件框圖Fig.2Block diagram of ultrasonic flowmeter’s system hardware

2.2 各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 發(fā)射模塊

主要由DDS電路、功率放大電路與超聲波換能器組成。

DDS電路用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的正弦波信號(hào)。DDS，就是直接數(shù)字式合成器，使用DDS可以產(chǎn)生較高純度的源信號(hào)，克服了使用一般的正弦波產(chǎn)生的各種缺點(diǎn)。DDS一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當(dāng)好的頻率和相位分辨率，能夠進(jìn)行快速地信號(hào)交換。DDS在現(xiàn)代電子器件、通信技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像、無線、PCS/PCN系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形[3]。本文選用的DDS芯片是AD公司的COMS型DDS芯片AD9850。該芯片最高支持125 MHz的時(shí)鐘頻率，32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或者串行方式裝入。+3.3 V或者+5 V供電，功耗極低。

AD9850與DSP的連接原理圖如圖3所示。最后AD9850的輸出有OUT1和OUT2，OUT1送入功率放大器用來驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，OUT2與帶通濾波器出來的信號(hào)一起送入混頻器進(jìn)行混頻。

由于超聲波在流體中傳播，而流體中有較高的顆粒含量，造成超聲波的衰減較大，所以信號(hào)的功率放大是十分必要的。

本文所用的超聲波換能器采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，工作頻率為640 kHz。超聲波振子用圓形的PZT型材料制作，這樣使換能器具有較好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，需要較小的功率。換能器的晶片應(yīng)與管壁呈45°安裝，這樣的好處是使換能器有較大的透射能力和較高的信噪比。

2.2.2 接收模塊

接收模塊主要由超聲波換能器、信號(hào)放大電路、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器組成。

通常接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，而一般需要采樣的信號(hào)的幅值是5 V，所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。帶通濾波器的作用是以640 kHz為中心頻率，保留640 kHz左右的頻率信號(hào)，盡可能減弱干擾信號(hào)[4]。混頻器的作用是降低信號(hào)頻率，僅保留了發(fā)射的超聲波與接收的超聲波的頻率差，這樣不但降低了采集較高的頻率的成本，不必使用很快的A/D來進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，而且減小了采集到的數(shù)據(jù)的誤差。信號(hào)最后再通過低通濾波器，減弱混頻產(chǎn)生的高頻干擾。

圖3 AD9850與TMS320F2812的連接原理圖Fig.3Schematic diagram of AD9850 and TMS320F2812 link

2.2.3 處理與控制模塊

處理與控制模塊主要由DSP（TMS320F2812）、AVR（mega16）、液晶、鍵盤組成。

DSP在整個(gè)處理與控制模塊中起到了關(guān)鍵的作用。它是系統(tǒng)的核心，流速的計(jì)算也是它來進(jìn)行的。DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能在較短的時(shí)間里完成復(fù)雜的算法。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。它片內(nèi)集成眾多資源：存儲(chǔ)資源Flash、RAM；標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如串行通信接口（SCI）、串行外設(shè)接口（SPI）、增強(qiáng)型eCAN總線接口，方便與外設(shè)之間進(jìn)行通信[5]。在TMS320F2812內(nèi)部還集成了一個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊，最高采樣速率達(dá)12.5 Ms/s；TMS320F2812片上還包括事件管理器（EV）、定時(shí)器、看門狗以及大量的用戶可開發(fā)利用的GPIO口等資源[6]。

從低通濾波器出來的信號(hào)進(jìn)入到DSP芯片TMS320F2812的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320F2812的ADC的主要功能有：1）12位ADC采樣內(nèi)核包括兩個(gè)采樣保持電路；2）可設(shè)置同步采樣或順序采樣模式；3）模擬輸入電壓：0～3 V；4）ADC工作在25 MHz時(shí)最高轉(zhuǎn)換速率為ADCLK或12.5 MHz；5）16通道，多路輸出；6）排序器可以設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的8位狀態(tài)排序器，也可以設(shè)置成一個(gè)16狀態(tài)排序器；7）16個(gè)結(jié)果寄存器用與存儲(chǔ)裝換結(jié)果；8）多觸發(fā)源啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；9）靈活的中斷控制。TMS320F2812內(nèi)部定時(shí)中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波器濾波、FFT變換求其功率譜等處理得到多普勒頻偏值，求得流速[7]。

AVR通過SPI從DSP中讀取流速數(shù)據(jù)，再根據(jù)用鍵盤設(shè)置的參數(shù)進(jìn)而求得流量，然后在液晶里顯示出來。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要采用C語言進(jìn)行編寫，再設(shè)計(jì)DSP的FFT算法時(shí)，可以使用匯編語言和C語言進(jìn)行混合編寫。DSP的編程工具為TI公司推出的CodeComposerStudio（CCS），該工具提供的實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)可視化功能把傳統(tǒng)的DSP調(diào)試技術(shù)向前提高了一大步，大大降低了DSP系統(tǒng)的開發(fā)難度。

軟件設(shè)計(jì)的總體思想是：DSP的作用主要是控制DDS芯片，然后發(fā)射超聲波，對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算頻移進(jìn)而計(jì)算流速。AVR的作用主要是從DSP讀出流速，然后計(jì)算流量。計(jì)算流量所需的管道流通截面積是可以改變的，可以根據(jù)實(shí)際情況用鍵盤進(jìn)行變動(dòng)。軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4Flow chart of main program

4 仿真分析

圖5 FFT的頻譜圖Fig.5Frequency spectrogram of FFT

圖5為FFT運(yùn)算后頻譜的仿真圖，它是在MATLAB上進(jìn)行仿真的，是一組個(gè)數(shù)為128的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT算法處理得來的。這組數(shù)據(jù)的主頻率接近640 kHz，與原始信號(hào)是相符合的。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以DSP為核心的超聲波流量計(jì)，完成了整體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。用DSP來進(jìn)行流速計(jì)算，保證了計(jì)算的精度和速度；使用AVR來輔助DSP進(jìn)行控制與處理，一方面分擔(dān)了DSP的工作，加快了數(shù)據(jù)處理速度；另一方面使流通截面積可以變動(dòng)，使超聲波流量計(jì)變得更加靈活，用于各種不同管道時(shí)更容易設(shè)置。

由于水平的限制，本文的系統(tǒng)方案還需要完善和改進(jìn)，特別是要在流體測量溫度對(duì)測量的影響和流體動(dòng)力學(xué)[8]兩個(gè)方面進(jìn)行分析，這對(duì)于提高超聲波流量計(jì)的精度是十分重要和必要的。另外，加入另一個(gè)頻率的超聲波收發(fā)處理模塊，組成雙頻的超聲波流量計(jì)，也能很好的提高精度。

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