基于DSP的超声波多普勒流量计的设计
0 引言
流量计在工业上,如石油、化工、水电等部门的用途十分广泛,是对液体流量检测必不可少的设备。传统流体流量计按工作方式主要有机械式、电阻式、电磁式、涡流式等类型。这些流量计一般精度较低,测量范围较小,特别在一些不能将探头置入测液体的特殊场合,根本无法使用。
超声波流量计作为一种新型的非接触式流量计,不仅安装方便,测试操作简单,维修便捷,而且由于是非接触测量,不会象传统流量计那样影响被测流体流速。采用多普勒法的超声波流量计,不仅可以进行两相流的测量,而且分辨率高,对流速变化响应快,对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感[1],但由于精度较低,其应用受到很大影响。若采用DSP处理器作为超声波多普勒流量计的核心测量控制器,辅以数字信号处理技术,可使超声波多普勒流量计的测量精度得到大幅度的提高。
1 超声波多普勒流量计的设计原理
超声波多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应,当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率,这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。
分别将超声波的探头放置在待测流体管道的两侧,一个发射连续的超声波信号,另外一个接收。当流体中存在悬浮粒子时,接收的超声波信号由于多普勒效应,其频率与发射的超声波信号会存在一个频率差,根据此频率差即可计算出流体的流速[2]。
如图一所示,当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子,该粒子以速度u沿管轴线运动。对超声波发射器而言,该粒子以速度u cos α离去,所以粒子收到的超声波频率f2为:
式中: f1 ――发射超声波的频率;
α――超声波束与管轴线夹角;
c ――流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器,由于它以u cosα的速度离开接收器,所以接收器收到的超声波频率f3为:
将f2的表达式代入上式可得:
接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差,即多普勒频移Δ f为:
由于超声波的速度远大于流体流速,所以上式可写成
由上式可得流体流速为:
体积流量为:
,其中A 为被测管道流通截面积。
由以上流量方程可知,当流量计、管道条件及被测介质确定以后,多普勒频移与体积流量成正比,测量频移Δ f 就可以得到流体流量qv。
2 硬件系统构成
硬件系统采用TMS320F240 DSP 为核心器件,该芯片是由美国TI(德州仪器)公司为满足控制领域的应用而推出的16位定点DSP,具有高性能、低功耗的DSP 内核和先进的外围接口电路。高性能的静态CMOS技术及4种低电源模式使系统功率损耗很低; 较快的指令执行速度(20MIPS)提高了控制能力; 集成的先进外围接口电路使测量系统的电路大为简化,系统的稳定性能更高; 丰富的外围I/O 引脚,让控制信号的划分更加细致完善,具有更加精确的控制精度[3]。
检测系统的硬件框图见图二。首先超声波发射探头以一定角度向流体中发射1MHz的超声波信号,接收探头将接收到的超声波信号转换成电信号,经窄带陶瓷滤波器滤波后进行信号放大,之后解调电路从中解调出频偏信号,该信号再经过低通滤波器滤除高频噪声,经放大电路进行信号放大后,送到TMS320F240 的模/ 数转换器(A/D)进行模数转换,采样数据在定时中断服务程序中被送入环形数据缓冲区。
TMS320F240 CPU 对所得到的数字序列进行处理,得到频偏值,再根据输入的仪表参数进行流速、流量、累计流量等所需要的数据量的计算,而后这些量被送入指定的数据缓冲区,供LCD 显示、模拟量输出等使用。
3 软件设计
TMS320F240 上电后首先执行初始化操作,包括初始化DSP 的系统参数、程序运行中所需的常数和先前工作过程中设置的仪表参数等,并启动定时器1和定时器2。定时器1服务于A/D 采样,定时器2 用来计时。然后调用A/D 子程序对混有噪声的时域多普勒频偏信号进行采样,将获取的数据进行离散FFT 变换求取功率谱,利用功率谱分析和处理数据,得到频偏值,之后再通过数字滤波技术进行处理,得到相对准确的频偏值,在此基础上求取所需要的各种数据量,并将相应数据输出,然后进行下一次的测量。
4 数据处理
目前,国内所生产的液体多普勒流量计在数据处理方面,基本上都是从时域出发,对噪声的抑制能力较弱,因此,仪表在精度和稳定性上性能都不够好。利用频域上的数字信号处理技术,可以更有效的分离噪声和有用信号,提高仪表的精度和稳定性。
由于超声波反射信号来自流场中的一定区域,因此叠加的结果反映了该区域中粒子所产生的信号的某种加权平均,因而形成频谱峰值位置的偏移及左右频谱加宽的不确定性。所以多普勒频谱的分布不仅仅受到了管道中流场分布的影响,当取样域足够小,流速差别不大时,多普勒频谱主要反映了取样域内声场的不均匀性。
多普勒频谱中的有意义的而且相对较稳定的信息是频谱的平均峰值位置,这个位置与管道中心处的流速所相应的多普勒频率有近似相等的关系,因此,数据处理的主要工作就是找出频谱的平均峰值位置[4]。
功率谱分析在随机信号处理中有着极其广泛的应用,是平稳随机过程在频域描述各频率成分的功率分布情况的基本特征量。而多普勒信号在一定时间段内可以看成是一种广义平稳信号,故可以采用功率谱分析。周期图法就是一种经典谱分析的方法,这种方法直接用序列x(n)的FFT来实现对功率谱的估计,它对长序列的计算精度高,对谐波的抑制能力强,处理非过零采样的数据,计算精度不受影响。因此,系统采用周期图法对多普勒频谱进行分析,同时辅以数字滤波技术,有效地解决了数字信号处理方法在应用于超声多普勒信号中存在的计算精度和实时性这两个问题。
5 结束语
与传统的流体流量计相比,超声波多普勒流量计的优势明显,在采用TMS320F240型DSP芯片作为主控芯片后,其优势更加突出。与普通单片机芯片相比,它具有更低的功耗,更快的运算速度,对数据的处理能力更强。利用其采用频域分析技术后,系统的计算精度和实时性都有了较好的提高。
参考文献
[1]姚新益.超声波流量计的特点及误差分析[J].计量技术,1999,8:40-42.
[2]吕汗兴,等.多声道超声多普勒流量计[J].工业仪表与自动化装置,1997,3:24-270.
[3]张雄伟,等.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2000.[4]汪源源,等.超声多普勒信号的频谱分析[J].声学技术,1998,17(2):57-62.