|
淺析改進超聲波流量計的性能的方法
發布日期：2017-12-07 09:02
從硬件電路設計及頻移信號處理方法改進超聲波流量計的性能，本文針對目前市場上超聲波多普勒流量計存在的測量精度低、穩定度差、動態響應慢，尤其在低流速情況下的誤差較大等問題開展了相關研究，文中主要從硬件電路設計及多普勒頻移信號處理方法兩個方向著手，提出了解決方案。在系統硬件電路中使用高精度DDS芯片產生基準信號，采用中頻解調技術將頻移信號解調到10kHZ，結合與超聲探頭相匹配的發射和接收等電路，提高了系統測量的穩定度以及對流速變化的響應速度；在頻移信號處理方面，采用復調制頻譜細化算法（ZOOM-FFT）對DSP采集的頻移信號進行頻譜分析，提高了系統在低流速下的測量準確度。結果表明，文中所采用的ZFFT算法對于超聲多普勒信號的頻率分辨率達到3HZ，可清晰的區分10HZ的頻偏信息，較FFT算法明顯提高了超聲波流量測量系統的測量精度。
超聲波流量計是一種非接觸式流量計量儀表，它被廣泛的應用在石油、化工及日常生活中的方方面面。在超聲波流量計中多普勒法是其中的重要一種，它適用于測量混合介質流體流量。超聲波多普勒流量計通常由超聲波傳感器，超聲波發射和接收裝置以及信號處理系統三部分組成。其中，信號處理系統是對接收到的微弱信號進行一系列模擬和數字方式的處理，從而分析出測量管段中流體的流量。目前，市場上的超聲波多普勒流量計產品很多，它們對于多普勒頻移信號的處理大多數都是采用模擬濾波、頻率轉電壓、整形計數或者是簡單的傅里葉變換（FFT）等方式。
因此，它們普遍存在著測量穩定性差、精度低、動態響應慢等問題，尤其是在低流速管道流量測量時，測量結果偏差較大，甚至沒有參考性。
針對超聲波流量計存在的上述問題，本文從硬件電路和信號處理方法兩方面進行了研究。在硬件上對微弱的多普勒回波信號進行了多級放大、濾波、解調等處理，從而將回波信號調整在10kHz的頻帶上，提高了系統對于流量變化的響應速度。文中使用數字信號處理器（DSP）對調理后的多普勒頻移信號進行模數轉換，將得到的數字序列進行復調制頻譜細化（ZOOM-FFT）運算及相應的數字濾波，提高了多普勒頻移信號的頻譜分辨率，從而提高了流量的分辨率。
1超聲波多普勒流量測量原理
聲學中，當聲源與觀察者相對于媒質運動，或兩者同時相對于媒質運動時，觀察者接收到的頻率與聲源發出的頻率不同。當聲源與觀察者之間的距離隨時間縮短時接收到的頻率高于聲源發出的頻率；反之，接收到的頻率低于聲源頻率。聲源發出的頻率與觀察者聽到的頻率之間的頻率差稱為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對運動速度，這種現象稱為多普勒效應。
在利用超聲波多普勒法測量時，超聲波傳感器的激勵方式主要有兩種分別為：單載頻脈沖波激勵，連續正弦波激勵。本文中采用連續正弦波信號激勵方式，用一對斜探頭垂直對稱安裝在管道外側（如圖1所示），發射探頭產生的連續波超聲信號經聲楔和管壁進入運動中的流體，并被隨流體一起運動的固體懸浮顆粒、氣泡等可以散射超聲波信號的物質散射而進入接收探頭。通過測定流體中運動粒子散射聲波的多普勒頻移，完成流量檢測。
超聲波多普勒流量測量示意圖如圖1所示，超聲波在被測流體中的傳播速度為c，u為懸浮顆粒在流體中的流速，β為超聲波束在管壁中的入射角，α為聲楔的角度，f1為超聲波的發射頻率，f2為接受的超聲波信號的頻率，Δf為多普勒頻移，其中θ為超聲波在流體中的傳播方向角度。
2多普勒超聲波流量計硬件系統設計
多普勒流量計硬件系統主要是完成對超聲波信號的發射、接收和相關處理，以及對流量計外部設備的控制等，系統框圖如圖2所示。本文采用一對中心頻率在640kHz的超聲換能器分別作為發射和接收探頭，利用頻率為640kHz的連續正弦波驅動超聲發射電路使其在管道中發射超聲波。接收端采用選頻放大電路接收超聲回波信號，再經過解調電路將多普勒頻移信號解調到中頻10kHZ上。DSP芯片對解調后的信號進行A/D轉換，然后利用選帶頻譜細化ZOOM-FFT算法精確的獲取到多普勒頻率偏移量。在進入A/D之前必須經過抗混疊濾波以避免在模擬輸入信號上疊加周期或者非周期的干擾信號，從而附加到量化值中，給有用信號帶來一定的干擾。本文中的DSP芯片選用的是TI公司的TMS320x2812，它不僅完成了上述任務，還對系統的液晶顯示、數據存儲、數據通信等進行了控制。
本文設計中發射及解調的基準信號都是通過DDS芯片產生的，它可以穩定地輸出單一頻率的正弦波和方波波形，從而降低了由于發射信號及解調參考信號頻率抖動對于多普勒頻移信號的影響。由于DDS產生的640kHz正弦波幅度較小、功率較低，而管道和流體會對超聲信號進行衰減，所以要將DDS產生的正弦波通過超聲波信號發射電路進行一定程度的幅度和功率放大。超聲波信號發射電路還有一項重要工作就是與超聲換能器電學匹配，只有在匹配情況下換能器才能最大效率的向流體中發射超聲波。
由于換能器的發射信號在經過傳感器和管道、介質等的衰減之后，到達接收端是一個微弱信號，而此微弱信號中包含著流體流動的信息，所以回波接收電路的好壞對于流量計的性能有著重要的影響。本文所設計的回波信號接收電路包括兩部分，選頻放大電路和低噪聲前置放大電路。選頻放大電路對接收探頭接收的微弱信號進行一定程度的頻率選擇和放大，濾除發射頻率一定范圍外的噪聲，并且在不超過解調電路允許的電壓范圍內提高信號的幅度，以利于后期信號處理。低噪聲前置放大電路對接收到的超聲回波信號進行二次放大，同時將接收到的信號轉換成差分信號輸出，以滿足解調電路對信號幅度等的要求。
在采用頻譜分析技術計算多普勒頻移時，如果直接對接收到的高頻信號進行頻譜分析會存在兩方面的問題：（1）需要較高的采樣率；（2）頻率分辨率在高采樣率的情況下，要獲得較高的頻率分辨率需要采樣點數足夠大，對存儲空間的要求較高且計算量大[7]。所以本設計將回波信號先進行解調，然后再進行頻譜分析。對于信號解調，通常都是將信號解調到直流0Hz上，但這樣易受電源及其他低頻噪聲的干擾，使頻譜分析出來的結果不能準確表征管道內的流體流動。將信號解調到0Hz上還有一個問題，那就是在低流速情況下，要準確分析出多普勒頻移量就要延長信號采集時間，從而降低了系統的動態響應。因此，本設計采用了外差法進行解調，它是通過將回波信號與一個非載波頻率信號（設計中采用2.52MHz的方波信號，經過解調芯片內部的4分頻后為630kHz）進行相干解調，將信號解調到10kHz，從而將多普勒頻移解調在差頻信號上，這樣就得到了一個包含流體流動的流速信息和方向信息的低頻信號。
解調后的信號需要經過調理后才能進入DSP的ADC模塊。信號調理主要是對解調芯片的輸出信號進行電流電壓轉換、低通濾波以及信號抬升，以滿足后續信號處理的要求。
3多普勒頻移信號處理方法
在超聲波多普勒流量測量技術中，多普勒頻移信號處理方法直接影響著測量系統的性能。現有多普勒流量計產品中，對于頻移信號的處理方法大致分為整形計數、頻率轉電壓和頻譜分析三類，總體來說，前兩種方法在系統穩定性、測量準確度等方面都不如頻譜分析法。頻譜分析能夠揭示多普勒頻移信號的特征和動態信息，頻譜分析法分為傳統的傅立葉頻譜分析法和現代譜估計法，現在市場上的超聲流量計產品基本上都是采用傅里葉頻譜分析法（FFT），此方法較適用于周期平穩信號，是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。在多普勒流量測量中，頻移信號是一個密集型頻譜信號，為準確計算出管道內流體流速（尤其在低流速情況下），就必須提高信號的頻譜分辨率。在采用FFT進行頻譜分析時，由于頻率分辨率為Δf=fs/N所以只能通過降低采樣速率和增加采樣點數來實現了，但這樣將會增大微處理器的計算量，影響系統的動態響應。本文采用復調制頻譜細化方法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進行處理，它是一種更為有效的動態信號分析方法，ZOOM-FFT法不管從分辨率、計算量、實時性等方面都明顯優于傳統傅里葉頻譜分析法。
3.1ZOOM-FFT頻譜細化算法
復調制ZOOM-FFT算法能以指定的、足夠高的采樣頻率分析任意頻段內信號的頻譜結構。在序列變換點數相同的情況下，ZOOM-FFT能獲得更高的頻率分辨率，在相同的頻率分辨率下，它比基帶FFT需要更少的傅立葉變換點數，因此ZOOM-FFT非常適用于要求大頻率分析范圍、高頻率分辨率和少變換點數的場合。
模擬信號x（t），經過抗混疊濾波之后進行A/D采集得到時間采樣序列x（n），fs為采樣頻率，fe為需要細化的中心頻率，細化倍數為D。復解析帶通濾波器的帶通寬度為fs/D,隔D點選抽一點，移頻和做N點譜分析，頻帶（fl~f2）用N條獨立譜線表示。具體算法的實現步驟如下:
（1）復調制移頻;所謂復調制移頻就是對原始信號的頻域進行向左或向右的搬移，根據離散傅立葉變換的頻移性質，x.（n）為A/D采集后的離散信號，
（2）低通濾波；復調制頻移之后，為了避免后續重采樣后的信號發生頻率混疊，通過低通濾波將包含中心頻率和多普勒頻移信號有用頻段信息保留下來，需要確定細化倍數D，并且設置低通濾波器的截止頻率為fs/2D，低通后的輸出用式Y（K）=X（K）H（K）表示，H（K）表示理想低通濾波器的頻率響應，在時域則通過下式表示：
3.2算法的仿真與驗證
對于木系統中解調后得到的10kHz中頻上的信號，選擇中心頻率為10KIIZ，采樣頻率為50KHZ，進行4096點的FFT和ZFFT算法進行仿真比較。圖4表示直接進行4096點的FFT頻譜圖;圖5為進行細化倍數D=4,fft點數為4096的細化后的頻譜。
由于頻偏成分與中心頻率之間的頻率間隔為100HZ，通過圖5可看出，直接進行FFT顯然很難分辨出中心頻率和頻率偏移，它的頻譜分辨率為fs/N=12HZ，通過調整細化倍數mD2=
（細化倍數為2的整數倍）來改變頻譜分辨率，細化4倍后頻譜分辨率可達到3HZ，通過對比可得出，ZOOM-FFT算法不但頻譜分辨率得到了提高，而且算法的穩定性好，能夠有
效的提高信號檢測的準確性。在超聲多普勒流量計的研制中，局部頻譜細化的應用有利于后期譜峰搜索范圍的減小及計算流速的精確性。
4結束語
在研究了超聲波多普勒流量測量理論的基礎上，針對目前多普勒超聲波流量計存在的穩定性差、靈敏度低、測量誤差大等問題，本文從硬件電路設計和信號處理方法兩方面改進了多普勒流量計的性能。主要的改進包括：
（1）采用先進的DDS芯片產生超聲發射電路及解調電路中的基準信號。DDS芯片輸出具有高精度、高穩定度的特點，它可以很好的解決由于溫度等變化引起的基準信號抖動，降低了基準信號變化對于多普勒頻移信號的影響。
（2）中頻解調技術。通過解調芯片將多普勒頻移信號解調在10kHz的頻帶上，提高了在頻譜分析點數一定的情況時系統的靈敏度。
（3）在DSP芯片中使用復調制頻譜細化算法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進行頻譜分析。ZOOM-FFT算法有效地提高多普勒頻移信號的頻率分辨率，并減小了DSP的計算量，解決了多普勒流量測量系統的測量精確度及低流速情況下的測量準確性。
|
歡迎光臨西安超聲波流量計廠！
