基于DSP的数字式超声波流量计的设计

　　0　引　言

　　利用超声波测量液体流量的研究已经有几十年的历史。20世纪30年代,首先研制出相位差法超声波流量计;50年代末期,用于测量航空燃料的频差法MAXSON流量计标志着超声波流量计由理论研究阶段进入工业测量时期;60年代,出现了运用多普勒效应的超声波流量计; 80年代集成电路技术的迅速发展,锁相技术和微处理器的应用使得超声波流量计的各项性能得到显著提高[1, 2]。21世纪以来,声道配置和流动力学的研究、高速数字信号处理技术与微处理器技术的发展以及新型探头材料与工艺的研究,使超声波流量测量技术取得了长足的进步,其潜力是显而易见的[3]。本文设计了一种基于DSP和SOC的便携式、实用型、精确度比较高的液体流量计。

　　1　超声波流量计测量原理

　　超声波在流体中传播时,就会承载流体的流速信息。因此,通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,进而计算出流体的流量。其检测方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法,其中,时差法应用最为普遍[2]。

　　目前,时差法超声波流量计测量的关键问题在于对于回波波形的识别和时差的精确检测,检测与处理该声波信号较为复杂,对系统硬件的要求很高,所以,决定采用美国TI公司的TMS320 VC5509A型DSP作为新型超声波流量计的核心测量控制器,以提高超声波的测量精度和工作的便携性。

　　本文设计的超声波流量计采用时差法,通过研究,一对超声波换能器采用管外V型安装方式,以增加超声波在流体中传播的行程。其测量原理见图1。

　　图1中,TRA,TRB为超声波换能器;D为管外径;d为管内径;L为换能器前端面的距离;

　　θ₀为超声波入射角;θ₁为超声波在管材中的折射角;θ₂为超声波在流体中的折射角。

　　设超声波信号在被测流体中的声速为c₀,在管壁中的声速为c₁,若超声波顺流时从TRA到达TRB所需要的时间为t₁,逆流时从TRB到达TRA所需要的时间为t₂,同时,      令  

　　式中　τ₁,τ₂为超声波换能器斜楔和电路延时。假设超声波换能器斜楔和电路延时具有较好的一致性,这样,即可近似地认为τ₁,τ₂是相等的,用式(2)减去式(1),可得

　　在一般工业测量中,液体的流速常常是几米每秒,而声波在液体中的传播速度约为1 500 m /s,所以,式(3)中v²sin²θ项可以忽略不计,这样,给系统带来的误差不超过10^-4,该项的忽略不会对整个系统的精度带来影响。鉴于此,对式(3)作进一步的化简,可得