一種改進(jìn)型超聲波流量計(jì)及其電磁兼容性設(shè)計(jì)*

賈惠芹，李克艱，黨瑞榮，馮旭東，殷 光

（西安石油大學(xué)光電油氣測井教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

0 引言

超聲波多普勒法測流速有很多優(yōu)點(diǎn)，比如:它的測量值與流體中聲速無關(guān)，沒有零點(diǎn)漂移問題;分辨率高，對流體的變化響應(yīng)快;測量條件不變時(shí)重復(fù)性好等特點(diǎn)，因此，對具有一定雜質(zhì)懸浮物的流體，多采用多普勒法進(jìn)行流量測量［1～3］。本文針對多普勒法前期采用了文獻(xiàn)［1］中的方法，在系統(tǒng)上電之后，主控DSP芯片首先控制波形發(fā)生電路固定產(chǎn)生2種波形:一種是正弦波，另一種是方波。其中，正弦波用做超聲信號的發(fā)射，而方波則用于多普勒頻移信號的解調(diào)，然后通過后續(xù)采集電路采集頻差信號，并利用傅里葉變換方法獲取頻差信號［4］，這種方法在流速很小的情況下對頻率分辨率的要求較高，不易獲取頻差。

本文在前期的這種基于超聲波解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于鎖相環(huán)的方法，采用該方法不用直接采集頻差值，省去了復(fù)雜的信號處理過程，簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)省了費(fèi)用，直接用單片機(jī)采集就可以。文中還針對本儀器在現(xiàn)場使用時(shí)，易受外部的變頻器、大電機(jī)等外部電磁信號的影響，導(dǎo)致儀器一直無法正常工作的問題，給出了儀器電磁兼容性的整改措施。

1 流量計(jì)算原理

基于頻差法的流體流速v檢測公式如式（1）所示

式中c0為聲楔中的聲速，α為聲楔角度，fT為發(fā)射頻率，Δf為多普勒頻移量。在式（1）中，當(dāng)探頭選定后，c0，α及fT就已固定，所以，只要測出Δf就可計(jì)算出管道內(nèi)的流體流動速度。在已知管道直徑D的情況下，管道內(nèi)的瞬時(shí)流量Q則可由式（2）求得

從式（2）可以看出:只需測出Δf，即可求出流體瞬時(shí)流量?？v觀現(xiàn)在的文獻(xiàn)，多數(shù)是通過后續(xù)的調(diào)制解調(diào)電路獲取Δf，但是由于在流速很小的情況下Δf往往很小，采用信號處理的方法往往無法區(qū)別流速的變化量，所以，本文提出采用鎖相環(huán)的方式來跟蹤超聲波發(fā)射頻率的變化量，并把這種變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量。接收到的超聲波信號經(jīng)過分頻電路對信號進(jìn)行分頻后，經(jīng)過鎖相環(huán)電路對超聲波信號的發(fā)射頻率進(jìn)行跟蹤，其接收到的超聲波信號和發(fā)射的超聲波信號的頻率之值即為頻差Δf，根據(jù)鎖相環(huán)的原理，為保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則鎖相環(huán)的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，由此可得出頻差Δf隨著輸出的控制電壓呈線性變化，即式（3）

式中K為一常數(shù)，把式（3）代入式（2）可得出只需要測出鎖相環(huán)的輸出控制電壓U就可以反推算出瞬時(shí)流量Q和流體流速v的值。

2 超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

2．1 超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儀器的設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。從圖1可以看出:單片機(jī)控制超聲波驅(qū)動模塊產(chǎn)生40V的電壓信號，驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號經(jīng)過貼在管壁的發(fā)射換能器發(fā)射到流體中，接收換能器接收穿過流體和管壁的超聲波信號，并將接收到的微弱信號送給回波信號接收模塊，分頻模塊對接收到的超聲波信號進(jìn)行分頻，然后經(jīng)過鎖相環(huán)對接收到的超聲波信號進(jìn)行頻率跟蹤，跟蹤接收到的超聲波信號的頻率變化量Δf，并把這種變化量Δf轉(zhuǎn)換為直流電壓U輸出。為了方便后續(xù)的采集，進(jìn)行了分頻，分頻結(jié)束后選用了成熟的鎖相環(huán)電路［5］。A/D轉(zhuǎn)換器對鎖相環(huán)輸出的直流電壓信號進(jìn)行數(shù)字化，單片機(jī)采集電壓值并送LCD顯示模塊進(jìn)行顯示，而對管徑、數(shù)據(jù)傳輸格式等的設(shè)置則可直接通過鍵盤模塊來設(shè)定。另外還預(yù)留了USB接口模塊，用于和上位機(jī)通信，以做進(jìn)一步的流量分析和預(yù)測［6］。

2．2 超聲波驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structural block diagram of system hardware

常用的超聲換能器驅(qū)動方法有電容瞬間放電法、電容瞬間充電法、電感瞬間放電法、脈沖電源激勵(lì)法、RLC諧振法、壓電晶片高壓充電諧振法等［7～9］。由于電容器、電感器充放電等方法需要使用直流高壓源或者對介質(zhì)的阻抗變化比較敏感，因此，本文選用RLC諧振法來產(chǎn)生連續(xù)的超聲波驅(qū)動信號，文中采用中頻變壓器實(shí)現(xiàn)升壓和傳感器的阻抗匹配及調(diào)諧，驅(qū)動電路如圖2所示。此電路采用12 V直流供電，當(dāng)在電路輸入端通過DDS產(chǎn)生一個(gè)單極性正弦波時(shí)，經(jīng)過晶體管的放大、變壓器的升壓以及電容的匹配后，超聲換能器上將得到一個(gè)較高幅度的功率信號，電路中的電阻器R25用于限制集電極電流，防止燒壞晶體管［4］。

圖2 換能器驅(qū)動電路Fig 2 Driving circuit of transducer

2．3 回波接收模塊

由于接收換能器接收到的回波信號幅度較小，并且在回波信號的傳播過程中，這個(gè)微弱信號會受到外界環(huán)境噪聲、電路噪聲、電源噪聲等的干擾。因此，在接收電路最前端需要一個(gè)選頻放大電路。選頻放大電路對接收探頭接收的小信號進(jìn)行頻率選擇和一次放大，濾除發(fā)射頻率一定范圍外的噪聲，并將有用信號放大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(jìn)行二次放大，本文設(shè)計(jì)的選頻放大電路如圖3所示。

圖3 選頻放大電路Fig 3 Amplifier circuit of frequency selection

本電路以中頻變壓器為核心，變壓器在此處實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、信號放大和濾波?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)變壓器中心的磁帽，使變壓器的次級電感器與電容器C22的并聯(lián)諧振，以達(dá)到選頻濾波的目的。電路中二極管D1和D2起到限幅的作用，濾除信號幅度在±0．3 V以外的噪聲信號，防止大信號經(jīng)過放大后影響后續(xù)電路正常工作，電阻器R38在此起到調(diào)節(jié)帶寬的作用，由并聯(lián)諧振的知識可知，此電路的品質(zhì)因數(shù)Q可用式（4）表示［4］

因此，當(dāng)減小R38的阻值時(shí)，電路Q值增大，電路選頻帶寬減小，濾波特性增強(qiáng)。

3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

3．1 電磁兼容性分析與測試

電磁兼容性是設(shè)備正常工作的一個(gè)很重要的因素，電磁兼容性問題實(shí)際包括2個(gè)方面，一個(gè)是傳導(dǎo)干擾，另一個(gè)是輻射干擾。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)主要是受變頻器、大電機(jī)等強(qiáng)電磁干擾信號的影響，這種干擾主要來源于電源線的傳導(dǎo)干擾。所以，在超聲波流量計(jì)的電磁兼容性測試中主要測試的是電源線的傳導(dǎo)干擾［10］。在靜態(tài)即沒有打開變頻器的條件下，儀器的相對測量誤差在3%左右，而在打開變頻器的條件下誤差就很大。

根據(jù)GB/T 6833．9—1987電子測量儀器電磁兼容性試驗(yàn)規(guī)范:電子測量儀器電源線傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)的要求和方法，對超聲波流量計(jì)進(jìn)行了電源線傳導(dǎo)干擾測試，測試系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖4所示，測試選用的主要儀器包括:電流環(huán)、線路阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以及頻譜分析儀，測試步驟參照GB/T 6833．9—1987。從測試結(jié)果可以看出:對比變頻器開閉，干擾很明顯，其幅度大概在30 dB左右，初步估計(jì)噪聲在1 MHz左右。

圖4 電磁兼容性測試系統(tǒng)布置框圖Fig 4 Layout block diagram of electromagnetic compatibility test system

3．2 電磁兼容性的改造措施

經(jīng)過電磁兼容性測試，分析得出環(huán)境噪聲主要來源于交流電源線干擾，因此，在市電輸出端安裝了交流電源濾波器。該濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:工作頻率為50 Hz，泄漏電流小于0．5 mA，共模損耗小于60 dB;同時(shí)在超聲波的供電部分加了一個(gè)直流濾波器，濾除交流噪聲干擾，避免其混入交流電源線。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的，選用的油品為32#礦物機(jī)械油，水使用的是自來水，氣相為空氣。在不同的螺桿泵轉(zhuǎn)速以及油、氣、水比例的情況下，開展了多次實(shí)驗(yàn)，得到了多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)以質(zhì)量流量計(jì)的測試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，流量測量的相對誤差與測量次數(shù)的關(guān)系如圖5所示，圖5（a）中標(biāo)定用的質(zhì)量流量計(jì)的流速標(biāo)準(zhǔn)值為5．8 m3/h，圖5（b）中標(biāo)定用的質(zhì)量流量計(jì)的流速標(biāo)準(zhǔn)值為4．6 m3/h，圖5（c）中標(biāo)定用的質(zhì)量流量計(jì)的流速標(biāo)準(zhǔn)值為3．4 m3/h，圖5（d）中標(biāo)定用的質(zhì)量流量計(jì)的流速標(biāo)準(zhǔn)值為5．2 m3/h。

圖5 不同測試條件時(shí)流量的測試結(jié)果Fig 5 Flow test results under different test conditions

從圖5（a），（b）和（c）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:本文研制的超聲波流量計(jì)在油水兩相流流量測量中的測量誤差隨著管道流量值的減小而增大，測量誤差在50 Hz轉(zhuǎn)速情況下在4．0%以內(nèi)，而到30Hz轉(zhuǎn)速時(shí)測量誤差范圍擴(kuò)大到5．20%。從圖5（d）可以看出:在40 Hz轉(zhuǎn)速和液相中水含量在75．31%情況下，流量測量誤差隨著加氣量的增加而增加，當(dāng)加氣量為1．6 m3/h時(shí)測量誤差高達(dá)6．0%。

5 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)型超聲波流量檢測方法，該方法把復(fù)雜的頻差提取問題轉(zhuǎn)化為電壓測量問題，簡化了信號處理過程和儀器設(shè)計(jì)難度。在儀器的電磁兼容性設(shè)計(jì)方面，按照電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了測試方案，對儀器的電磁兼容性問題進(jìn)行了整改。經(jīng)過整改后的超聲波流量計(jì)抗干擾能力好，能在復(fù)雜和惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，測量精度高，使用范圍廣。

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