單淑娟 何敬濤 楊 健 張 偉*

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000）

流量是工業(yè)流域過程控制的一個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)，迄今為止，可供工業(yè)上應(yīng)用的流量計(jì)儀表達(dá)60 種之多。但大多數(shù)原理的流量檢測(cè)儀表多為接觸式測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用中一種非接觸型流量計(jì)成為必然趨勢(shì)，尤其是具有侵蝕性和腐蝕性的漿液檢測(cè)儀器，需要增加流量測(cè)量設(shè)備的總壽命，成本達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的需求，這包括安裝和維護(hù)成本。本文所述的超聲波多普勒流量計(jì)具有安裝簡(jiǎn)單、非接觸測(cè)量、無壓力損失、無流體擾動(dòng)影響、適用于多種管徑、幾乎不需要維護(hù)、可在線維修等等優(yōu)勢(shì)。

1 超聲波多普勒流量測(cè)量原理

當(dāng)流體中含有懸浮粒子時(shí)，粒子將隨著流體一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一束頻率為f 的連續(xù)超聲波沿著與流速成 θ角的方向傳播時(shí)，則粒子散射的超聲波頻率fs和f 之間將服從多普勒關(guān)系，在此理論基礎(chǔ)上，可通過計(jì)算頻差得到超聲波流量。如圖1 所示：

圖1 多普勒原理圖

發(fā)射頻率為f，接收到的頻率為fs，則可得出下式：

2 多普勒信號(hào)解調(diào)方法

所謂解調(diào)是從攜帶信息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)信息的過程。通常是在信息傳輸或處理中，發(fā)送端用發(fā)送信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，形成攜帶消息的信號(hào)。接收端恢復(fù)原始信號(hào)進(jìn)行利用，這一過程就叫解調(diào)。這里所說的解調(diào)是在接收到的混合信號(hào)中提取出反應(yīng)流速信息的多普勒頻移的過程。

常用的解調(diào)方法有振幅檢波、鑒頻、鑒相及乘法器檢波等四種，換能器接收到的信號(hào)為多個(gè)固體顆粒或氣泡形成的多普勒頻移成份的疊加，雖然具有一定的周期性，但不會(huì)像簡(jiǎn)諧振動(dòng)波那樣具有對(duì)稱性，而有效信號(hào)幅度又不大，要想提高疊加了速度的信號(hào)的幅度，又不提高發(fā)射波及反射波的幅度，是很難做到的。振幅檢波的失真就無法避免，振幅檢波的解調(diào)方法不是最理想的選擇；多普勒流速信號(hào)通過頻移信號(hào)測(cè)得，似乎鑒頻器來解調(diào)是合乎情理的，但事實(shí)并非如此，鑒頻器工作在限幅狀態(tài)，限幅的非線性是的信號(hào)中含有的有效的多普勒頻移信號(hào)丟失，而且鑒頻效率低，靈敏度差都不可取。鑒相器由限幅、乘法、低通濾波組成，跟鑒頻器一樣具有信號(hào)失真，效率低靈敏度差等缺點(diǎn)，且輸出信號(hào)失真與參考信號(hào)相位有關(guān)，只有在90 度時(shí)失真最小。采用乘法器可以通過提高參考信號(hào)幅度來提高輸出信號(hào)的幅度，從而可以不失真的提取反應(yīng)流速的多普勒頻移信號(hào)。采用這種方法解調(diào)最為有利。

傳統(tǒng)超聲多普勒流量計(jì)用乘法器將信號(hào)解調(diào)到基頻，得到平均多普勒頻率與基頻信號(hào)差值得絕對(duì)值，無法得到方向信息，因此這種解調(diào)方法不能判斷流速方向。時(shí)域法、頻域法、相域法等方法主要在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)，檢測(cè)血液流速方向信息，但這些方法受成本及應(yīng)用環(huán)境限制，不適用于工業(yè)管道流量測(cè)量應(yīng)用。將信號(hào)解調(diào)到基頻上，低流速情況下，多普勒頻移信號(hào)只有幾Hz,甚至更小，從而增減了低流速的檢測(cè)難度，在這么低的頻率下低通濾波和集成電路的性能限制。而且信號(hào)易受電源及其他低頻噪聲的干擾，使分析出來的頻差不可靠，無法準(zhǔn)確反應(yīng)流體流速信息。

采用將接收信號(hào)解調(diào)到中頻的方法，克服了統(tǒng)超聲多普勒流量解調(diào)到基頻時(shí)，存在的低流速測(cè)量困難，對(duì)檢測(cè)電路性能要求過高的缺點(diǎn)，從而可以保證低流速區(qū)域測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。中頻解調(diào)方法是采用回波信號(hào)S(t)與一個(gè)非載波頻率信號(hào)S1(t)進(jìn)行乘法器混頻，則經(jīng)過低通濾波濾除高頻分量，得到中頻分量由各頻率分量。設(shè)計(jì)中載波信號(hào)為1MHz，S1(t)為0.985MHz，將信號(hào)解調(diào)到中頻信號(hào)為15kHz 上，當(dāng)平均頻差 Δf大于中頻信號(hào)fc時(shí)流速方向?yàn)檎?Δf＜fc時(shí)流速方向?yàn)樨?fù)， Δf=fc則流體靜止。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后被高精度ADC 模塊采集，進(jìn)入后續(xù)信號(hào)處理。由于中頻解調(diào)存在一個(gè)15kHz 的中頻信號(hào)，而流速產(chǎn)生的頻移小于15kHz 范圍內(nèi)，就能夠可靠的實(shí)現(xiàn)流速方向判斷。

3 數(shù)據(jù)處理

ADC 采集的數(shù)據(jù)被送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于接收的回波信號(hào)來自流場(chǎng)中，發(fā)射接收換能器波束組成的一定區(qū)域內(nèi),該區(qū)域中粒子產(chǎn)生的回波信號(hào),以不同的幅度和相位到達(dá)接收換能器，這些信號(hào)在接收換能器上迭加,由于這些粒子的速度不同,聲波的反射角度不同,反射后的多普勒頻移就不一樣,迭加的結(jié)果形成了多普勒頻譜峰，使得頻譜峰值位置的偏移及左右頻譜加寬，找出反應(yīng)取樣區(qū)域的多普勒頻譜中的頻譜的平均峰值位置,就能反映了管道中流體的流速, 通過數(shù)據(jù)處理找出頻譜的平均峰值位置就能計(jì)算流體的流速、流量信息（圖1）。

結(jié)束語

本文介紹了超聲多普勒流量計(jì)的頻移信號(hào)檢測(cè)方法，流量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理流程，提出了中頻解調(diào)方法解決流速的方向判斷，及低流速測(cè)量難題的應(yīng)用方法。相對(duì)超聲多普勒流量基頻解調(diào)方法，該方法能提高低流速測(cè)量的響應(yīng)能力、穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性。

圖1 信號(hào)處理流程圖