多普勒超声波流量的采集与处理研究

　　超声多普勒流量计是利用声波在流体中传播的多普勒效应研制成的流量测试装置[1],在工业上,如石油、化工、水电等部门的用途十分广泛,是对液体流量检测必不可少的设备.该装置作为一种新型的非接触式流量计[2],安装于被测管道的外侧,不干扰流体的流动,无压力损失,测试和维修方便,特别适用于有毒、有害、有腐蚀性和带有磨料的液体.该装置不仅可以进行两相流的测量,而且分辨率高,对流速变化响应快,对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感,但由于测量精度较低,在干扰因素较大的环境下其应用受到很大影响.利用DSP的快速处理能力和通信原理技术,设计了多普勒超声波的采集和处理电路,并提出了一种离散傅里叶变换进行功率谱分析的算法,结合数字信号处理技术,可使超声波多普勒流量计的测量精度得到大幅度的提高.

　　1　流量测量原理分析

　　超声波多普勒流量计的测量原理如图1所示,是以物理学中的多普勒效应为基础的.根据声学多普勒效应[2],当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率,这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比.

　　分别将发射探头A和接受探头B安装在与管道轴线夹角为θ的两侧,且都迎着流向,当平均流速v,声波在静止流体中的速度为c时,根据多普勒效应,接受到的超声波频率(靠流体里的悬浮颗粒或气派反射而来)f2将比原发射频率f1略高,其差Δf即多普勒频移.根据式(1)可得流体流速为

　　只要知道被测管道的横截面积,就可以得到流体流量.因此,求流量的多普勒频移Δf是关键.

　　2　流量计频谱分析

　　由于超声波换能器接收到的信号为多个多普勒频移成份的叠加,其振幅和相位均受多普勒频移成份的非线性调制.为了实现数字采样获得信号数据,因此对加性噪声情况下的流量谐波信号进行等间隔采样得到序列[3]

　　s(n) = x(n)+z(n),n =0,1,…,N-1(2)

　　式中:x(n)为确定的流量谐波信号序列;N为FFT点数;z(n)为噪声序列.

　　对s(n)加长度为N的对称窗wN(n),可得到窗后的采样序列

　　sw(n) = x(n)wN(n)+z(n)wN(n) (3)

　　然后,对其进行离散傅里叶(DFT)变换,并根据傅里叶变化的叠加原理得

　　式中Sw(k)、Xw(k)、Zw(k)分别为sw(n)、xw(n)流量谐波信号、zw(n)噪声信号的DFT频谱.设谱线号为k,满足可得

　　利用泰勒公式展开,并忽略高阶小项可得

　　则流量的超声波多普勒功率谱为

　　由式(7),可离散化成