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基于DSP的新型超聲流量計(jì)

時(shí)間：2021-08-02 21:09:53 來源：本站點(diǎn)擊：1028次

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開對工質(zhì)數(shù)量的了解或?qū)Ω鞣N物質(zhì)（原料）配比的控制

。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算

，需對單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時(shí)間內(nèi)物料的總輸送量進(jìn)行精確計(jì)量和控制

，并要求能及時(shí)地發(fā)出反映流量大小的信號

。流量測量

，不管是以計(jì)量為目的

，還是用于過程控制，幾乎涉及所有的領(lǐng)域

。非接觸式流量計(jì)只需將超聲波換能器夾裝在被測管道的外側(cè)就可測量管道內(nèi)的液體流量

，由于其測量時(shí)不擾動(dòng)管道內(nèi)流動(dòng)的流體和無介質(zhì)泄漏而得到了廣泛的應(yīng)用，但時(shí)差法等超聲波流量計(jì)測量精度低是一個(gè)亟待解決的問題

。本設(shè)計(jì)方案采用了相位差法來測量流量

，同時(shí)把聲速對流速的影響也考慮在內(nèi)，從而提高了測量的精度

。

1 相位差法流量測量原理

超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測量主要是依據(jù)超聲波入射到流體后

，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量

。

在該超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中

，流量的獲取主要來源于測定固定直徑管道的中心流速（軸向），雖然測量管道內(nèi)的流場分布模型難以精確建立

，但其中心流速和總的流量之間有一固定的函數(shù)關(guān)系（對于同一種流體而言）

，那么測得該流速，并通過適當(dāng)?shù)那€擬合方法即可尋求到一條聯(lián)系流量與流速之間關(guān)系的較精確的曲線

，其主要物理模型如圖1所示

。

圖1 超聲波流量測量物理模型

圖中A

、B是兩性能相同的超聲波傳感器

，V是流體流速，方向固定為A到B

，V0為流體中的聲速

，L為A、B兩傳感器的端面距離

。由于流速V的存在

，超聲波從A傳到B及其相反過程中，在傳播時(shí)間上將有一個(gè)差值α，通過對α的精確測量

，即可求出中心流速

，并進(jìn)一步求得流體流量。

在靜止的液體中

，連續(xù)的超聲波在距離為L的A點(diǎn)和B點(diǎn)將有著固定的相位差β

，當(dāng)流體沿著某一方向（假設(shè)從A到B方向）流動(dòng)時(shí)，固定頻率的超聲波在順流和逆流發(fā)射的傳播時(shí)間內(nèi)的變化在空間上表現(xiàn)為流體中波形的拉伸（順流）和壓縮（逆流）

，從而導(dǎo)致在定長L內(nèi)波形數(shù)的變化

，但必須保證滿量程波形數(shù)變化不大于1；在接收端表現(xiàn)為發(fā)射波和接收波相位差的變化（相當(dāng)于A

、B點(diǎn)的相位差）

，由β±Δβ就直接導(dǎo)致本設(shè)計(jì)方案中采用相位差法求得流速和流量。

由于固定頻率為f的聲波的聲速為V0=f*λ

，其中λ是波長

，于是流體中距離為L的空間上分布的波形N=L/λ將和聲波的傳播速度成反比。設(shè)靜止流體中L上的波數(shù)為非整數(shù)n

，當(dāng)流體以速度V由A到B流動(dòng)時(shí)

，順流聲速V0AB=V0+V，逆流聲速V0BA=V0-V

，則順流時(shí)L上的波數(shù)為NAB=n*V0/（V0+V）

，逆流時(shí)NBA=n*V0/（V0-V）。于是逆

、順流分別發(fā)射超聲波時(shí)

，L空間上的波數(shù)差Δn=NBA- 流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片

，其中n=L/λ0=Lf/λ0

，所以

，則相位差

（1）

由于聲速V0隨環(huán)境變化，其修正方法仍依賴于振蕩器

，且（1）式中分母比分子高一階

，可見晶振溫漂對測量效果的影響。由于V0>>V

，則（1）式可以忽略分母的影響

，相位差與流速成一次線性關(guān)系。由于最終將采用標(biāo)定擬合的方法求出流量與相位差的關(guān)系式

，因此超聲波的頻率不必嚴(yán)格于1MHz

，但必須保證其穩(wěn)定性。為保證儀器適用于不同壓力及環(huán)境溫度

，甚至適用于不同性質(zhì)的介質(zhì)

，必須對聲速進(jìn)行實(shí)時(shí)修正

。由（1）式可知，聲速對測量結(jié)果有很大的影響

，現(xiàn)采用聲波的傳播時(shí)間法來測得聲速

。

假設(shè)集流管內(nèi)流場均勻分布，超聲波頻率為1MHz

，聲速為1500m/s

，集流管內(nèi)徑為31mm（實(shí)際內(nèi)徑25mm，但因有效距離及入水口等因素

，折算為31mm）

，設(shè)計(jì)流量計(jì)的量程為700m3/d。為避免多置型

，在單邊180°鑒相的前提下

，順逆流相位差Δβ不應(yīng)大于360°，也就是a≤1μs

，即2LV/（V02-V2）≤1μs

，由量程700m3/d求出V后就可確定L。令S為集流管有效截面積

，則VS=V*3.14*（10-3*33/2）2=700/24/3600

，得到V=10.73m/s，于是由2LV/（V02-V2）≤1μs

，推出L≤10.48cm

。

圖2 流速鑒相電路框圖（單向）

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上分析的測量原理，設(shè)計(jì)出如圖2和圖3所示的超聲流量計(jì)電路框圖

。

圖3 聲速校正鑒相電路框圖（單向）

本方案中傳感器材料選用聚砜

，其聲學(xué)性能很好。驅(qū)動(dòng)信號源是后續(xù)測量的基礎(chǔ)

，所以只能采用幅值盡量高

、波形近似正弦的驅(qū)動(dòng)信號，以達(dá)到較大的發(fā)射功率

，經(jīng)過聲波發(fā)射

、接收換能器的雙重選頻、濾波作用

，接收信號波形無畸變

，最終選擇南京120pF壓電片串聯(lián)220μH電感產(chǎn)生諧振。

超聲波發(fā)射接收通道控制開關(guān)組主要完成超聲波的發(fā)射以及接收電路在A

、B兩個(gè)傳感器上的切換及聲速修正的低頻調(diào)制功能

，控制邏輯由門電路及模擬開關(guān)共同產(chǎn)生。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)最終采用分立8路開關(guān)ADG419

、ADG418

，其原則是參與接收回路的模擬開關(guān)完全不接觸發(fā)射信號，其電路如圖4所示

。

圖4 超聲波發(fā)射接收通道控制開關(guān)

驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)4kHz調(diào)制后

，接收信號是周期為4kHz的含1MHz載波的聲波列，其壓差信號經(jīng)放大至2~3V可使檢波二極管在很快的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通

，減小聲速誤差

。解調(diào)出的包絡(luò)信號送反向比較器整形后與原調(diào)制信號鑒相可得正比于傳播時(shí)間的相位差（數(shù)字脈沖占空比），其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示

。

圖5 解調(diào)電路

無論是流速相位差還是聲速修正相位差均由發(fā)射（或經(jīng)調(diào)制）信號與接收信號（或解調(diào)信號）鑒相產(chǎn)生

，產(chǎn)生的鑒相脈沖經(jīng)低通網(wǎng)絡(luò)（帶寬3.7Hz）濾波后得到正比于相位差的直流電平送A/D轉(zhuǎn)換。本方案采用沿鑒相

，即只與信號的上升沿有關(guān)

，而與占空比無關(guān)，使用鑒相器4046取得了很好的線性和測量精度

。

A/D轉(zhuǎn)換器一般主要考慮的因素就是字長和速度

。一般來講SNR與字長有以下規(guī)律SNR（dB）=6.02n+1.76，n為字長

。實(shí)際超聲系統(tǒng)中一般SNR的范圍在47~70dB之間

。如果SNR=70dB，則字長不小于12

。本設(shè)計(jì)選用BB公司的ADS803芯片

，DSP芯片選用TI公司16位的TMS320VC5402，可以保證測量的精度

。

在實(shí)測時(shí)通過順

、逆流發(fā)射經(jīng)低頻4kHz調(diào)制的1MHz超聲波來實(shí)現(xiàn)。在接收端將解調(diào)出的4kHZ與原始調(diào)制信號比較鑒相即可求出聲波的傳播時(shí)間

，并將正反向的時(shí)差相加以扣除流速的影響.本流量計(jì)的量程設(shè)定為700m3/d

，實(shí)際量程為690m3/d，理論分辨率為0.15m3/d

，實(shí)測值為0.2m3/d

。

現(xiàn)傳感器安裝距離L=10cm，聲速為1500m/s

，理論上雙向相位差之和為192°

，實(shí)測相位差約195°，誤差僅為1%.按照上述方法連續(xù)測量100次

，誤差基本上都在1%左右

，真正保證了流量測量的高精確性。

3 結(jié)束語

超聲波流量計(jì)具有測量精度高

、重復(fù)性好

、量程比較寬

、抗干擾能力強(qiáng)、維修量小和可測雙向流等優(yōu)點(diǎn)

，可以廣泛應(yīng)用于天然氣工業(yè)的貿(mào)易輸送計(jì)量

、氣體分配、調(diào)合

、控制和檢漏等場合

，還可用于工廠排放液、液化天然氣流量測量等

，也可作為常規(guī)貿(mào)易計(jì)量儀表的標(biāo)準(zhǔn)表

。總而言之

，可廣泛應(yīng)用到各種精度要求高的流量測量中

。

參考文獻(xiàn)

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