基于虚拟仪器的超声Doppler管道低流速测量

　　超声波流量计是流量测量中最有发展前景的几个领域之一,按测量原理不同分成多种类型,其中的超声Doppler流量计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。传统超声Doppler流量计在解调Doppler信号时采用混频到基频的方法[1],测量中存在以下几个问题: 1)低流速情况下产生的Doppler频移较低,常淹没于相当强度的干扰信号中,准确分析其频谱很困难; 2)流体正反向流动产生的Doppler信号解调后无区别,不能判断流速的方向; 3)低流速测量需要的采样周期长,不能满足实时测量需求。

　　针对上述问题,本文提出将超声Doppler信号解调到15kHz的中频以保留速度方向信息,基于虚拟仪器对滤波后的中频信号进行数字化采样,在LabVIEW[2]开发环境中运用Zoom-FFT[3](Zoom fast-Fourier-transform)算法对Doppler信号进行高精度选带频谱分析,加权平均频率估计并修正后得到流体的速度方向和大小。

　　1　基本原理

　　1.1　流速测量原理

　　本文的超声Doppler流量测量系统采用外夹式双探头结构,基本流速方程定义如下[4]:

　　其中:vF为流体速度,fD为Doppler频移,vS为被测流体介质中的超声波速度,fT为探头发射频率,θ为超声波与流体流动方向的夹角。流体速度vF与Doppler频移fD成正比关系,通过测量Doppler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。

　　1.2　Doppler信号解调

　　实际流体测量中的Doppler频移信号是多个频率成分的叠加[5],为简化中频解调的分析,假设Doppler频移为单一频率,则超声回波信号简化为

　　假定fD>0时流速为正方向,则信号s(t)的频率fo=fc+fD>fc时流速为正方向,fo<fc时流速为反方向,fo=fc时流速为零。

　　1.3　Zoom-FFT算法

　　用采样频率为fs的模数转换器对s(t)抽样得到长度为N的离散信号s(n),传统FFT算法的频率分辨率Δf=fs/N。在采样频率一定的情况下,要提高频率分辨率必须增加采样的数据长度,这样将增加FFT的运算复杂程度、运算时间和数据存储空间。本文采用Zoom-FFT算法来克服这些问题,需分析的频带是中心频率fc为15kHz、带宽为4kHz的区域。这一算法可以概括为下面5个步骤: 1)用一个复序列exp(-j2πfcn/fs)对s(n)进行调制得到新的N点离散序列s′(n),将中心频率fc移到频率轴原点; 2)用数字低通滤波器对s′(n)进行滤波,将目标频带之外的频率成分去掉,得到s″(n); 3)用采样率fs/L对s″(n)进行采样,得到新的M点序列r(m),并保证L和M为正整数,M为2的幂,且N=L×M; 4)对r(m)进行M点复FFT运算,得到输出谱R(m); 5)将输出谱R(m)重新整序并把低频段频谱移回原中心频率fc两侧,得到需要的输出频谱Z(m),这时M点复FFT可以得到和N点FFT相同的频率分辨率。因此Zoom-FFT算法不仅可以有效提高频率分辨率,而且能减小运算的复杂程度并节省数据存储空间。