基于DSP的新型超声流量计

　

   0 引言

    工业生产和科学实验都离不开对工质数量的了解或对各种物质（原料）配比的控制。为了保证产品质量和进行经济核算，需对单位时间内物料的输送量（流量）或某段时间内物料的总输送量进行精确计量和控制，并要求能及时地发出反映流量大小的信号。流量测量，不管是以计量为目的，还是用于过程控制，几乎涉及所有的领域。非接触式流量计只需将超声波换能器夹装在被测管道的外侧就可测量管道内的液体流量，由于其测量时不扰动管道内流动的流体和无介质泄漏而得到了广泛的应用，但时差法等超声波流量计测量精度低是一个亟待解决的问题。本设计方案采用了相位差法来测量流量，同时把声速对流速的影响也考虑在内，从而提高了测量的精度。

    1 相位差法流量测量原理

    超声波技术应用于流量测量主要是依据超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。

    在该超声波流量计的设计中，流量的获取主要来源于测定固定直径管道的中心流速（轴向），虽然测量管道内的流场分布模型难以精确建立，但其中心流速和总的流量之间有一固定的函数关系（对于同一种流体而言），那么测得该流速，并通过适当的曲线拟合方法即可寻求到一条联系流量与流速之间关系的较精确的曲线，其主要物理模型如图1所示。

图1 超声波流量测量物理模型

    图中A、B是两性能相同的超声波传感器，V是流体流速，方向固定为A到B，V₀为流体中的声速，L为A、B两传感器的端面距离。由于流速V的存在，超声波从A传到B及其相反过程中，在传播时间上将有一个差值α，通过对α的精确测量，即可求出中心流速，并进一步求得流体流量。 

 

    在静止的液体中，连续的超声波在距离为L的A点和B点将有着固定的相位差β，当流体沿着某一方向（假设从A到B方向）流动时，固定频率的超声波在顺流和逆流发射的传播时间内的变化在空间上表现为流体中波形的拉伸（顺流）和压缩（逆流），从而导致在定长L内波形数的变化，但必须保证满量程波形数变化不大于1；在接收端表现为发射波和接收波相位差的变化（相当于A、B点的相位差），由β±Δβ就直接导致本设计方案中采用相位差法求得流速和流量。

    由于固定频率为f的声波的声速为V₀=f*λ，其中λ是波长，于是流体中距离为L的空间上分布的波形N=L/λ将和声波的传播速度成反比。设静止流体中L上的波数为非整数n，当流体以速度V由A到B流动时，顺流声速V_0AB=V₀+V，逆流声速V_0BA=V₀-V，则顺流时L上的波数为N_AB=n^*V₀/（V₀+V），逆流时N_BA=n^*V₀/（V₀-V）。于是逆、顺流分别发射超声波时，L空间上的波数差Δn=N_BA-，其中n=L/λ₀=Lf/λ₀，所以，则相位差

   （1）

    由于声速V₀随环境变化，其修正方法仍依赖于振荡器，且（1）式中分母比分子高一阶，可见晶振温漂对测量效果的影响。由于V₀>>V，则（1）式可以忽略分母的影响，相位差与流速成一次线性关系。由于最终将采用标定拟合的方法求出流量与相位差的关系式，因此超声波的频率不必严格于1MHz，但必须保证其稳定性。为保证仪器适用于不同压力及环境温度，甚至适用于不同性质的介质，必须对声速进行实时修正。由（1）式可知，声速对测量结果有很大的影响，现采用声波的传播时间法来测得声速。

    假设集流管内流场均匀分布，超声波频率为1MHz，声速为1500m/s，集流管内径为31mm（实际内径25mm，但因有效距离及入水口等因素，折算为31mm），设计流量计的量程为700m³/d。为避免多置型，在单边180°鉴相的前提下，顺逆流相位差Δβ不应大于360°，也就是a≤1μs，即2LV/（V0²-V²）≤1μs，由量程700m³/d求出V后就可确定L。令S为集流管有效截面积，则VS=V*3.14*（10^-3*33/2）²=700/24/3600，得到V=10.73m/s，于是由2LV/（V0²-V²）≤1μs，推出L≤10.48cm。

图2 流速鉴相电路框图（单向）

    2 设计方案

    根据以上分析的测量原理，设计出如图2和图3所示的超声流量计电路框图。

图3 声速校正鉴相电路框图（单向）

    本方案中传感器材料选用聚砜，其声学性能很好。驱动信号源是后续测量的基础，所以只能采用幅值尽量高、波形近似正弦的驱动信号，以达到较大的发射功率，经过声波发射、接收换能器的双重选频、滤波作用，接收信号波形无畸变，最终选择南京120pF压电片串联220μH电感产生谐振。

    超声波发射接收通道控制开关组主要完成超声波的发射以及接收电路在A、B两个传感器上的切换及声速修正的低频调制功能，控制逻辑由门电路及模拟开关共同产生。经过多次实验最终采用分立8路开关ADG419、ADG418，其原则是参与接收回路的模拟开关完全不接触发射信号，其电路如图4所示。

图4 超声波发射接收通道控制开关

    驱动信号经4kHz调制后，接收信号是周期为4kHz的含1MHz载波的声波列，其压差信号经放大至2~3V可使检波二极管在很快的时间内导通，减小声速误差。解调出的包络信号送反向比较器整形后与原调制信号鉴相可得正比于传播时间的相位差（数字脉冲占空比），其具体实现电路如图5所示。

图5 解调电路

    无论是流速相位差还是声速修正相位差均由发射（或经调制）信号与接收信号（或解调信号）鉴相产生，产生的鉴相脉冲经低通网络（带宽3.7Hz）滤波后得到正比于相位差的直流电平送A/D转换。本方案采用沿鉴相，即只与信号的上升沿有关，而与占空比无关，使用鉴相器4046取得了很好的线性和测量精度。

    A/D转换器一般主要考虑的因素就是字长和速度。一般来讲SNR与字长有以下规律SNR（dB）=6.02n+1.76，n为字长。实际超声系统中一般SNR的范围在47~70dB之间。如果SNR=70dB，则字长不小于12。本设计选用BB公司的ADS803芯片，DSP芯片选用TI公司16位的TMS320VC5402，可以保证测量的精度。

    在实测时通过顺、逆流发射经低频4kHz调制的1MHz超声波来实现。在接收端将解调出的4kHZ与原始调制信号比较鉴相即可求出声波的传播时间，并将正反向的时差相加以扣除流速的影响.本流量计的量程设定为700m³/d，实际量程为690m³/d，理论分辨率为0.15m³/d，实测值为0.2m³/d。

    现传感器安装距离L=10cm，声速为1500m/s，理论上双向相位差之和为192°，实测相位差约195°，误差仅为1%.按照上述方法连续测量100次，误差基本上都在1%左右，真正保证了流量测量的高精确性。

    3 结束语

    超声波流量计具有测量精度高、重复性好、量程比较宽、抗干扰能力强、维修量小和可测双向流等优点，可以广泛应用于天然气工业的贸易输送计量、气体分配、调合、控制和检漏等场合，还可用于工厂排放液、液化天然气流量测量等，也可作为常规贸易计量仪表的标准表。总而言之，可广泛应用到各种精度要求高的流量测量中。