基于DSP的新型超声多普勒流量计设计与实现

　　0　引言

　　超声多普勒流量计由于具有非接触测量、无损检测等突出优点,近年来在工业界得到了广泛的认可。但是当前国内外对工业管道用超声多普勒流量计的研究中,采用的测量方法和技术实现手段上仍然处在一个比较低的水平,性能普遍不高,存在不能判断流速方向、低流速测量困难、动态响应速度慢、实时性差等缺点。这些缺点极大限制了超声多普勒流量计的推广和使用。文中以超声多普勒流量测量方法为研究对象,从理论和技术实现2个方面深入研究了解决传统超声多普勒流量计存在问题的途径,建立了一种新的超声多普勒管道流量测量方法,并且采用高速DSP器件TMS320VC5410为平台实现一种新型超声多普勒流量测量系统。实现的新型超声多普勒管道流量测量系统可以动态显示流速、瞬时流量、累积流量、信号强度等测量结果,较高的流速测量尤其是低流速测量的动态响应能力以及稳定性,具有较好的推广和应用前景。

　　1　超声多普勒流量测量原理

　　当声源和声接收器之间存在相对运动,或者两者同时相对媒质运动的情况下,所接收到信号的频率和声源频率会产生差别,这种效应称为多普勒效应,接收到信号的频率与声源频率之差为多普勒频移,它的大小取决于两者之间的相对运动速度[1-2]。

　　文中研究的超声多普勒流量测量系统采用一对斜探头垂直对称外夹安装在管道外侧,如图1所示。超声波发射探头向流体中发射的声波在遇到随流体一起运动的气泡、微粒等物质时将会产生散射,这些散射体可以看成若干新的点声源。在这些点声源和超声波发射、接收探头之间将因存在相对运动而产生多普勒效应。

　　根据多普勒效应原理,单个颗粒随流体一起以速度u运动,静止流体中的声速为c,发射探头发射的连续波超声信号频率为f0,由于颗粒的散射而进入接收探头的超声信号频率fr为:

式中α是超声波入射、反射方向与流体运动方向的夹角。实际测量时流体中的声速c一般在1 000 m /s以上,而被测流体速度u一般小于10 m /s.另外,流体中的声速c易受温度影响,为减少温度影响而产生的误差,在实际使用中引入声楔,结合折射定律:

　　式(3)中只出现声楔的纵波声速c0而不含流体的声速c。由于固体声速的温度系数一般比流体声速的温度系数小,因此采用式(3)可以减小流体温度变化带来的影响,提高了检测精度。

　　实际中,接收探头所接收到的是取样域内颗粒产生的散射波的合成,如图1所示,如果取样域内颗粒分布均匀且沿轴向运动,则取样域内颗粒的平均多普勒频移fd由加权平均得到: