连续波超声多普勒管道流量测量

　　1　引言

　　与各种传统的流量计相比,超声波流量计具有非接触测量、无流动压损、宽工作范围、便携性好、适合大管径及大流量测量场合等方面的特点,在供水、电力、石化、冶金、煤矿、环保、医疗、海洋、河流等各种计量测试中得到了广泛的应用。据报道,2005年前,全球超声波流量计的销售将以年均15·3%的速度快速增长[1]。超声波流量计按测量原理不同有多种类型。本文所研究的连续波超声多普勒流量计是其中的重要领域之一,适于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体,如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。传统超声多普勒流量计在解调多普勒信号时采用混频到基频的方法[2],产生了如下问题:首先,低流速情况下产生的多普勒频移较低,常湮没于相当强度的干扰信号中,准确分析其频谱很困难;其次,由于流体正反向流动产生的多普勒信号解调后无区别,其不能判断流速的方向;另外,由于低流速测量需要的采样周期长,导致其在低流速情况下响应慢,不能满足实时测量需求。

　　将频带中心约为640 kHz的超声多普勒信号用高速模数转换器采集到数字信号处理芯片TMS320VC5410[3]中,用频率为625 kHz的参考信号与其混频进行中频解调以保留流速方向信息,并运用zoomFFT[4]算法对混频、滤波后的信号进行高精度选带频谱分析,加权平均频率估计后得到流体的速度方向和大小。流量循环装置上的实验结果表明:该系统不仅能够准确分辨流速的方向,还能稳定地测量速度低至0·02 m/s的流体,在工业管道流量测量中具有广泛的应用前景。

　　2　工作原理

　　设计的超声流量测量系统采用外夹式双探头结构,其基本定义如下[5]

　　式中: v_a为流体速度; f_a为多普勒频移; c为被测流体介质中的超声波速度; f₀为探头发射频率;φ为发射超声波与管道轴线方向的角度。

　　流体速度v_a与多普勒频移f_a成正比关系,通过测量多普勒频移可求出流体速度,然后按时间积分就得到一定时间内相应的累积流量

　　2.1　中频解调

　　实际流体测量中的多普勒频移信号是多个频率成分的叠加[6],这里为简化中频解调的分析,假设模数转换后的数字化多普勒频移信号为单一频率,如式(2)所示:

　　用存储在数字信号处理器中的数字化参考正弦信号sr(n)=sin2π(f-fc) n与其进行混频,然后用8阶Butterworth低通数字滤波器除去高频部分,得到:

　　式中f_c为发射信号频率与参考信号频率的差频,其近似为中频解调的中心频率; A_m为信号幅值; fm=f_c+f_d.