0 引言

    流量計在工業(yè)上，如石油、化工、水電等部門的用途十分廣泛，是對液體流量檢測的設備。傳統(tǒng)流體流量計按工作方式主要有機械式、電阻式、電磁式、渦流式等類型。這些流量計一般精度較低，測量范圍較小，特別在一些不能將探頭置入測液體的特殊場合，根本無法使用。

    超聲波流量計作為一種新型的非接觸式流量計，不僅安裝方便，測試操作簡單，維修便捷，而且由于是非接觸測量，不會象傳統(tǒng)流量計那樣影響被測流體流速。采用多普勒法的超聲波流量計，不僅可以進行兩相流的測量，而且分辨率高，對流速變化響應快，對流體的壓力、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的核心測量控制器，輔以數(shù)字信號處理技術，可使超聲波多普勒流量計的測量精度得到大幅度的提高。

    1 超聲波多普勒流量計的設計原理

    超聲波多普勒流量計的測量原理是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據(jù)聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率，這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。

    分別將超聲波的探頭放置在待測流體管道的兩側，一個發(fā)射連續(xù)的超聲波信號，另外一個接收。當流體中存在懸浮粒子時，接收的超聲波信號由于多普勒效應，其頻率與發(fā)射的超聲波信號會存在一個頻率差，根據(jù)此頻率差即可計算出流體的流速[2]。

    如圖一所示，當超聲波束在管軸線上遇到一顆固體粒子，該粒子以速度u沿管軸線運動。對超聲波發(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 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 為被測管道流通截面積。

    由以上流量方程可知，當流量計、管道條件及被測介質確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移Δ f 就可以得到流體流量qv。

    2 硬件系統(tǒng)構成

    硬件系統(tǒng)采用TMS320F240 DSP 為核心器件，該芯片是由美國TI（德州儀器）公司為滿足控制領域的應用而推出的16位定點DSP，具有高性能、低功耗的DSP 內核和的外圍接口電路。高性能的靜態(tài)CMOS技術及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量系統(tǒng)的電路大為簡化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能更高； 豐富的外圍I/O 引腳，讓控制信號的劃分更加細致完善，具有更加精確的控制精度[3]。

    檢測系統(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，接收探頭將接收到的超聲波信號轉換成電信號，經窄帶陶瓷濾波器濾波后進行信號放大，之后解調電路從中解調出頻偏信號，該信號再經過低通濾波器濾除高頻噪聲，經放大電路進行信號放大后，送到TMS320F240 的模/ 數(shù)轉換器（A/D）進行模數(shù)轉換，采樣數(shù)據(jù)在定時中斷服務程序中被送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

    TMS320F240 CPU 對所得到的數(shù)字序列進行處理，得到頻偏值，再根據(jù)輸入的儀表參數(shù)進行流速、流量、累計流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計算，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 軟件設計

    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)、程序運行中所需的常數(shù)和先前工作過程中設置的儀表參數(shù)等，并啟動定時器1和定時器2。定時器1服務于A/D 采樣，定時器2 用來計時。然后調用A/D 子程序對混有噪聲的時域多普勒頻偏信號進行采樣，將獲取的數(shù)據(jù)進行離散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，之后再通過數(shù)字濾波技術進行處理，得到相對準確的頻偏值，在此基礎上求取所需要的各種數(shù)據(jù)量，并將相應數(shù)據(jù)輸出，然后進行下一次的測量。

    4 數(shù)據(jù)處理

    目前，國內所生產的液體多普勒流量計在數(shù)據(jù)處理方面，基本上都是從時域出發(fā)，對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)字信號處理技術，可以更有效的分離噪聲和有用信號，提高儀表的精度和穩(wěn)定性。

    由于超聲波反射信號來自流場中的一定區(qū)域，因此疊加的結果反映了該區(qū)域中粒子所產生的信號的某種加權平均，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分布的影響，當取樣域足夠小，流速差別不大時，多普勒頻譜主要反映了取樣域內聲場的不均勻性。

    多普勒頻譜中的有意義的而且相對較穩(wěn)定的信息是頻譜的平均峰值位置，這個位置與管道中心處的流速所相應的多普勒頻率有近似相等的關系，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]。

    功率譜分析在隨機信號處理中有著極其廣泛的應用，是平穩(wěn)隨機過程在頻域描述各頻率成分的功率分布情況的基本特征量。而多普勒信號在一定時間段內可以看成是一種廣義平穩(wěn)信號，故可以采用功率譜分析。周期圖法就是一種經典譜分析的方法，這種方法直接用序列x（n）的FFT來實現(xiàn)對功率譜的估計，它對長序列的計算精度高，對諧波的抑制能力強，處理非過零采樣的數(shù)據(jù)，計算精度不受影響。因此，系統(tǒng)采用周期圖法對多普勒頻譜進行分析，同時輔以數(shù)字濾波技術，有效地解決了數(shù)字信號處理方法在應用于超聲多普勒信號中存在的計算精度和實時性這兩個問題。

    5 結束語

    與傳統(tǒng)的流體流量計相比，超聲波多普勒流量計的優(yōu)勢明顯，在采用TMS320F240型DSP芯片作為主控芯片后，其優(yōu)勢更加突出。與普通單片機芯片相比，它具有更低的功耗，更快的運算速度，對數(shù)據(jù)的處理能力更強。利用其采用頻域分析技術后，系統(tǒng)的計算精度和實時性都有了較好的提高。

    參考文獻

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