基于DSP的超声波流量计的研究

摘要：超声波流量计因为具有不接触被测介质等优点，已经被不断研究并应用在许多领域，发挥了巨大的作用。设计了基于DSP，以多普勒效应为原理的超声波流量计，完成了硬件设计和软件设计。最后对FTR数字滤波器和FFT算法进行了仿真，证明了方案的可行性。
关键词：多普勒效应；流量计；DSP；DDS；AVR

流量测量与人们的生活息息相关。早在刚种植农产品时，人们就已经开始关注灌溉水的流量测量了。现在，流量测量在工业生产、过程控制、科学实验、节能、环境监测和保护中都起着十分重要的作用。
超声波在流动的流体中传播时，就载上流体流速的信息。因此，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量，这就是超声波流量计的测量原理。使用超声波流量计，不需要在流体中安装测量元件，所以不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行，因而是一种理想的节能型流量计。
超声波流量计根据检测的方式，可以分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。其中，超声波多普勒流量计除具有一般超声波仪器的特点外，还有诸多优点，例如对流速变化响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度和导电率等因素不敏感，没有零点漂移问题，测量条件不变时仪表重复性好，价格比较便宜等。超声波多普勒流量计适用于测量两相流的场合，而能够用在两相流场合的流量计是比较少的。本文采用多普勒法为基本原理，来研究基于DSP的超声波流量计。

1 多普勒法的测量原理
1．1 工作原理
多普勒法测流量的基本原理是：把发射的超声波入射到流动的流体中，被随流体一起运动的颗粒反射到接收器，接收到的反射声波与发射声波之间产生频率差，这个频率差就是多普勒频移，它正比于流体流速，因此测量频差即可求得流速，将测得的平均流速乘以相应的流通截面积即可求得容积流量。
利用多普勒效应测量的必要条件是：被测流体中必须有足够的具有反射本领的颗粒，才能得到一定强度的信号使仪表正常工作。因此，多普勒超声波流量计只有当被测流体中存在一定数量的悬浮颗粒、气泡或有反射本领的其他粒子时才能工作。多普流量计适用于测量两相流的场合，这正是其他流量计难以解决的。
1．2 流量方程
如图1所示，当多普勒流量计的发射换能器以一定的角度θ向流体发射频率为f1的连续超声波时，流体中的悬浮颗粒体将声波发射到接收换能器，因为悬浮颗粒随着流体在流动，所以反射的超声波将产生多普勒频移△f。设频移后接收换能器收到的超声波频率为f2，超声波在被测流体中的传播速度(传声速度)为c，颗粒反射体以与被测流体相同的流速μ运动，收、发两超声波束与流体相间的夹角均为θ，则根据多普勒效应，多普勒频移△f用下式表示：

由式(1)可知，多普勒频移△f与发射频率f1及流体流速μ成正比，与介质的传声速度c成反比。当发射频率f1与声速c恒定时，多普勒频移△f正比于流速μ，即测量△f可反映流速μ。流速μ与△f的关系由式(1)可得

式中，S——管道流通截面积。
式(3)为多普勒流量计的理论方程式。由此式可知，当仪表结构及测量条件确定后，频移与容积流量成正比，测量频移可反映流体流量。
1．3 工作频率的确定
工作频率是本文研究的流量计首先考虑的问题。流量计的工作频率与悬浮粒子的尺寸有重要关系。在实际的流体中，粒子的性质差别非常大。为了讨论简单，具有代表性，假定悬浮粒子是一半径为α的刚性小球，置于超声波声场中，超声波以平面波方式传播的，在考虑吸收与散射衰减条件下，声波衰减与振幅、距离有如下关系：

式中，P0是发射面处的声压，Px是接受面处的声压，α为衰减系数。这里衰减系数α的大小直接影响超声波穿透流体的深度。在所研究的含有固体颗粒的流体中，α主要由3种因素形成，即粘滞系数。摩擦衰减和散射衰减。其中只有散射衰减能形成反射回波，所以主要研究散射衰减。
本文研究的流量计的工作频率的选取应使λ>2πα，但也不要过大，以免只存在绕射。一般选λ／2α的值在几十至几百的范围内比较好，这时由散射产生的辐射能与λ4成正比。实际测量时，应根据平均粒径来选择工作频率。关于粘滞衰减和摩擦衰减，实际这两个量与流体性质、粒子浓度及大小等均有关，他们也会影响超声波穿透深度和取样窗面积大小，即直接影响测量结果，不过，一般情况下处于次要地位。对于气泡的分析与颗粒结果类似。工业测量中超声波频率的选择在500 kHz～2．5MHz之间。本文研究的超声波流量计的工作频率选择640kHz。

2 硬件设计
2．1 系统硬件总体设计
系统硬件主要分为3个模块，分别是发射模块，接收模块。处理与控制模块。图2为系统硬件的结构框图。