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        DSP在聲吶流量計中的應(yīng)用

        2018-12-21 09:41:28李云龍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2018年20期
        關(guān)鍵詞:聲吶信號處理流速

        李云龍

        摘 要:基于DSP芯片TMS320F28335設(shè)計實現(xiàn)了一種聲吶流量計,其具有精度高、適應(yīng)性好、操作方便和成本低廉等特點。整個系統(tǒng)以穩(wěn)定、實用、可靠為設(shè)計目標。在保證實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上,充分優(yōu)化硬件電路和軟件架構(gòu)。本系統(tǒng)充分利用了DSP的高速處理信號的特性,在提高測量精度的同時,還簡化了硬件電路設(shè)計,從而降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

        關(guān)鍵詞:TMS320F28335;聲吶;流量計

        中圖分類號:TP216 文獻標志碼:A

        0 引言

        流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù),流量測量數(shù)據(jù)是企業(yè)進行生產(chǎn)自動化控制、進行經(jīng)濟核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)α髁繖z測儀表的性能要求越來越高,現(xiàn)有的常規(guī)流量計,如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時差法和多普勒頻移法原理的流量儀表,由于在不同程度上受限于流體的物理性質(zhì)、流體流動的特性、安裝工藝條件、維護需求及經(jīng)濟性等原因,不能完全適用復(fù)雜的管道流體應(yīng)用環(huán)境。隨著聲吶檢測技術(shù)的發(fā)展,研發(fā)高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計,成為市場的迫切需求。聲吶流量計采用非接觸式測量,其流量測量準確度幾乎不受測量介質(zhì)的壓力、濃密度、溫度等參數(shù)的影響,同時該測量方式可解決其他流量儀表所難以測量的易結(jié)垢、非導(dǎo)電性、強腐蝕、易燃易爆及介放射性介質(zhì)的流量測量問題。

        本文詳細介紹了聲吶流量計的工作原理和產(chǎn)品設(shè)計,在借鑒吸收國外聲吶測量技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于TMS320F28335單片機的流量檢測儀表。聲吶流量計是目前最先進的流量檢查技術(shù),目前國際上只有美國一家公司擁有基于此原理的產(chǎn)品。在產(chǎn)品設(shè)計中高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在軟件設(shè)計時,采用溫度補償、傅里葉變換等方法修正測量精度。

        1 工作原理

        由模擬計算及實驗所測信號可以發(fā)現(xiàn),單純從時域的湍流脈動信號難以得到與流速相關(guān)的信息。傅里葉變換可以很方便地得到各個通道信號的頻域信息,但是由于空間只有8個傳感器得到的8個信號數(shù)據(jù),難以通過二維傅里葉變換同時得到時間和空間的頻率信息。通過應(yīng)用陣列信號處理領(lǐng)域的多重信號分類算法(Multiple Signal Classfication,MUSIC算法)破解了該難題,通過應(yīng)用該算法對8路陣列信號數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,得到了波數(shù)-頻率域的對流脊曲線,進而得到了對應(yīng)的流速。詳細介紹如下。

        根據(jù)MUSIC算法基本原理,信號協(xié)方差矩陣為:

        (1)

        將Rxx進行特征值分解,得Rxx=[U]∑[U]H,其中矩陣∑為特征值對角陣,矩陣[U]為特征向量矩陣,包括信號特征向量矩陣[Us]和噪聲特征向量矩陣[UN]。故有空間譜函

        (2)

        計算空間譜隨波數(shù)k的變化情況, 對所選頻率范圍內(nèi)進行相同的算法處理,可以得到對應(yīng)不同頻率的PMUSIC的值。湍流脈動的能量是對應(yīng)特定空間波數(shù)和時間頻率的函數(shù)。能量的集中區(qū)域為一屋脊狀結(jié)構(gòu),稱為對流脊,它代表了湍流脈動信號的空間和時間頻率特征。湍流的脈動流速與管中平均流速大致接近(大約為平均流速的90%左右,與流速、管徑等參數(shù)有關(guān)),該流速與空間頻率時間頻率之間存在如下關(guān)系:

        (3)

        由此公式可知,能量集中的對流脊區(qū)域進行識別,得到其斜率,即可得到湍流的脈動流速,經(jīng)過進一步的校準,就可以得到管中流速。

        2 產(chǎn)品設(shè)計

        2.1 主控系統(tǒng)

        主控系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩個部分:模擬部分包括前置放大電路、信號采集電路(包括對數(shù)放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路等);數(shù)字部分包括TMS320F28335主控系統(tǒng)、人機界面、繼電器輸出和控制輸出電路等。在硬件設(shè)計過程中充分考慮成本和性能兩個方面,力求性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,功能完善,存在擴展功能。

        2.2 傳感器前置放大系統(tǒng)

        根據(jù)PVDF壓電薄膜的電荷等效模型設(shè)計了前置放大電路,其包括前級信號采集設(shè)計、濾波器設(shè)計以及整體電路設(shè)計,以下做具體說明:

        前級信號采集電路有遠大于PVDF薄膜的輸入阻抗,使得PVDF產(chǎn)生的電荷盡可能多地積累在電容上,有效減少了電荷泄漏,而輸入的電阻很大,電容的放電時間常數(shù)很大,這樣可以提高電路的低頻測量能力和信號幅度,減少負載效應(yīng)。

        濾波器的幅頻特性與階數(shù)有關(guān),階數(shù)越多特性越好,同時電路的復(fù)雜程度也越高。本設(shè)計采用有源巴特沃斯低通濾波器加無源低通濾波器的設(shè)計,使得通帶內(nèi)的增益穩(wěn)定,不會出現(xiàn)在截止頻率附近的增益隆起現(xiàn)象。

        2.3 信號處理主控系統(tǒng)

        信號處理主控系統(tǒng)具有信號調(diào)理、信號采集、信號處理和結(jié)果輸出等功能。信號調(diào)理單元以可變增益放大器組合為核心,前段設(shè)計有抗混疊濾波器;信號采集單元須完成8路音頻模擬信號采集。由FPGA控制協(xié)同8路傳感器信號的同步采集,實現(xiàn)快速的實時性要求,因為工藝管道中流體流速很快;信號處理單元采用DSP陣列算法對采集到數(shù)據(jù)進行處理,通過專有編制的流量算法模型實現(xiàn)流量結(jié)果輸出;以太網(wǎng)通信、鍵盤顯示控制、模擬/數(shù)字信號輸出(Modbus/RTU RS-485/232通信)等輔助功能外圍單元設(shè)計以單片機為核心來完成。

        3 儀表測試及數(shù)據(jù)分析

        聲吶流量計采用標準表法確定檢測精度,測量系統(tǒng)主要由水池、水泵、電磁流量計、聲吶流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門及管道等組成,通過調(diào)節(jié)水泵和速度調(diào)節(jié)閥控制流量的大小,在循環(huán)系統(tǒng)中安裝的電磁式流量計用于標定聲吶流量計。實驗要求在1.0m/s~4.0m/s的流速變化范圍內(nèi)進行對比測試。測量范圍內(nèi)每變化0.5m/s選擇1個流量標定點,標準表(電磁流量計)與被測表(聲吶流量計)的累積流量值由水流量控制系統(tǒng)實時記錄,通過對比分析計算得到測量精度。

        水流量控制系統(tǒng)采集多個流速點,累積后得到流量值,確定的8個測試流速點分別是:1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s,2.5m/s,3.0m/s,3.5m/s,4.0m/s,4.5m/s,標定實驗要求對各流速點進行往復(fù)5次的重復(fù)測試實驗。流量從1.0m/s~4.5m/s范圍內(nèi),聲吶流量計的平均誤差小于0.13%,由此可以反映出兩種流量計的波動趨勢相近,聲吶流量計能夠準確反映流量變化情況,滿足工藝現(xiàn)場自動控制要求。

        結(jié)語

        本設(shè)計采用TMS320F28335作為系統(tǒng)的主控芯片,由于它具有高速信號處理能力,測量的實時性得到了有效的保證。聲吶流量計除了具有流量計算功能模塊之外,還設(shè)計相關(guān)的功能模塊:顯示模塊、存儲模塊、人機界面模塊、電源模塊等。現(xiàn)場應(yīng)用表明:其安全可靠,體積小,操作維護方便,成本低廉,具有廣闊的應(yīng)用前景。

        參考文獻

        [1]張卿杰.手把手教你學(xué)DSP基于MS320F28335[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

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        [3]唐璜,繆璇,趙棟.基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術(shù)[J].光學(xué)儀器,2014,36(2):107-110.

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