超聲波多普勒流量計(jì)性能的改進(jìn)研究

梁 璐 高國(guó)旺 殷 光 孫亮亮 范祥輝

（1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)量?jī)x表，它被廣泛的應(yīng)用在石油、化工及日常生活中的方方面面。在超聲波流量計(jì)中多普勒法是其中的重要一種，它適用于測(cè)量混合介質(zhì)流體流量。超聲波多普勒流量計(jì)通常由超聲波傳感器，超聲波發(fā)射和接收裝置以及信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成。其中，信號(hào)處理系統(tǒng)是對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行一系列模擬和數(shù)字方式的處理，從而分析出測(cè)量管段中流體的流量。目前，市場(chǎng)上的超聲波多普勒流量計(jì)產(chǎn)品很多，它們對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的處理大多數(shù)都是采用模擬濾波、頻率轉(zhuǎn)電壓、整形計(jì)數(shù)或者是簡(jiǎn)單的傅里葉變換（FFT）等方式。因此，它們普遍存在著測(cè)量穩(wěn)定性差、精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等問題，尤其是在低流速管道流量測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果偏差較大，甚至沒有參考性。

針對(duì)超聲波流量計(jì)存在的上述問題，本文從硬件電路和信號(hào)處理方法兩方面進(jìn)行了研究。在硬件上對(duì)微弱的多普勒回波信號(hào)進(jìn)行了多級(jí)放大、濾波、解調(diào)等處理，從而將回波信號(hào)調(diào)整在10kHz的頻帶上，提高了系統(tǒng)對(duì)于流量變化的響應(yīng)速度。文中使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)調(diào)理后的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字序列進(jìn)行復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化（ZOOM-FFT）運(yùn)算及相應(yīng)的數(shù)字濾波，提高了多普勒頻移信號(hào)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(cè)量原理

聲學(xué)中，當(dāng)聲源與觀察者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，或兩者同時(shí)相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與聲源發(fā)出的頻率不同。當(dāng)聲源與觀察者之間的距離隨時(shí)間縮短時(shí)接收到的頻率高于聲源發(fā)出的頻率；反之，接收到的頻率低于聲源頻率。聲源發(fā)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)[5]。

在利用超聲波多普勒法測(cè)量時(shí)，超聲波傳感器的激勵(lì)方式主要有兩種分別為：?jiǎn)屋d頻脈沖波激勵(lì)，連續(xù)正弦波激勵(lì)[6]。本文中采用連續(xù)正弦波信號(hào)激勵(lì)方式，用一對(duì)斜探頭垂直對(duì)稱安裝在管道外側(cè)（如圖1所示），發(fā)射探頭產(chǎn)生的連續(xù)波超聲信號(hào)經(jīng)聲楔和管壁進(jìn)入運(yùn)動(dòng)中的流體，并被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體懸浮顆粒、氣泡等可以散射超聲波信號(hào)的物質(zhì)散射而進(jìn)入接收探頭。通過測(cè)定流體中運(yùn)動(dòng)粒子散射聲波的多普勒頻移，完成流量檢測(cè)。

超聲波多普勒流量測(cè)量示意圖如圖1所示，超聲波在被測(cè)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(fā)射頻率，f2為接受的超聲波信號(hào)的頻率，fΔ為多普勒頻移，其中θ為超聲波在流體中的傳播方向角度。

圖1 多普勒流量測(cè)量示意圖

其中多普勒頻移與流速之間的關(guān)系如式（1）所示

2 多普勒流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多普勒流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要是完成對(duì)超聲波信號(hào)的發(fā)射、接收和相關(guān)處理，以及對(duì)流量計(jì)外部設(shè)備的控制等，系統(tǒng)框圖如圖2所示。本文采用一對(duì)中心頻率在640kHz的超聲換能器分別作為發(fā)射和接收探頭，利用頻率為640kHz的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射電路使其在管道中發(fā)射超聲波。接收端采用選頻放大電路接收超聲回波信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)電路將多普勒頻移信號(hào)解調(diào)到中頻10kHZ上。DSP芯片對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后利用選帶頻譜細(xì)化ZOOMFFT算法精確的獲取到多普勒頻率偏移量。在進(jìn)入A/D之前必須經(jīng)過抗混疊濾波以避免在模擬輸入信號(hào)上疊加周期或者非周期的干擾信號(hào)，從而附加到量化值中，給有用信號(hào)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(wù)，還對(duì)系統(tǒng)的液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)行了控制。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

本文設(shè)計(jì)中發(fā)射及解調(diào)的基準(zhǔn)信號(hào)都是通過DDS芯片產(chǎn)生的，它可以穩(wěn)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(fā)射信號(hào)及解調(diào)參考信號(hào)頻率抖動(dòng)對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的影響。由于DDS產(chǎn)生的640kHz正弦波幅度較小、功率較低，而管道和流體會(huì)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行衰減，所以要將DDS產(chǎn)生的正弦波通過超聲波信號(hào)發(fā)射電路進(jìn)行一定程度的幅度和功率放大。超聲波信號(hào)發(fā)射電路還有一項(xiàng)重要工作就是與超聲換能器電學(xué)匹配，只有在匹配情況下?lián)Q能器才能最大效率的向流體中發(fā)射超聲波。

由于換能器的發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過傳感器和管道、介質(zhì)等的衰減之后，到達(dá)接收端是一個(gè)微弱信號(hào)，而此微弱信號(hào)中包含著流體流動(dòng)的信息，所以回波接收電路的好壞對(duì)于流量計(jì)的性能有著重要的影響。本文所設(shè)計(jì)的回波信號(hào)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(duì)接收探頭接收的微弱信號(hào)進(jìn)行一定程度的頻率選擇和放大，濾除發(fā)射頻率一定范圍外的噪聲，并且在不超過解調(diào)電路允許的電壓范圍內(nèi)提高信號(hào)的幅度，以利于后期信號(hào)處理。低噪聲前置放大電路對(duì)接收到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行二次放大，同時(shí)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出，以滿足解調(diào)電路對(duì)信號(hào)幅度等的要求。

在采用頻譜分析技術(shù)計(jì)算多普勒頻移時(shí)，如果直接對(duì)接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析會(huì)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(diǎn)數(shù)足夠大，對(duì)存儲(chǔ)空間的要求較高且計(jì)算量大[7]。所以本設(shè)計(jì)將回波信號(hào)先進(jìn)行解調(diào)，然后再進(jìn)行頻譜分析。對(duì)于信號(hào)解調(diào)，通常都是將信號(hào)解調(diào)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(jié)果不能準(zhǔn)確表征管道內(nèi)的流體流動(dòng)。將信號(hào)解調(diào)到0Hz上還有一個(gè)問題，那就是在低流速情況下，要準(zhǔn)確分析出多普勒頻移量就要延長(zhǎng)信號(hào)采集時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，本設(shè)計(jì)采用了外差法進(jìn)行解調(diào)，它是通過將回波信號(hào)與一個(gè)非載波頻率信號(hào)（設(shè)計(jì)中采用2.52MHz的方波信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)芯片內(nèi)部的4分頻后為630kHz）進(jìn)行相干解調(diào)，將信號(hào)解調(diào)到10kHz，從而將多普勒頻移解調(diào)在差頻信號(hào)上，這樣就得到了一個(gè)包含流體流動(dòng)的流速信息和方向信息的低頻信號(hào)。

解調(diào)后的信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)理后才能進(jìn)入DSP的ADC模塊。信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)解調(diào)芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、低通濾波以及信號(hào)抬升，以滿足后續(xù)信號(hào)處理的要求。

3 多普勒頻移信號(hào)處理方法

在超聲波多普勒流量測(cè)量技術(shù)中，多普勒頻移信號(hào)處理方法直接影響著測(cè)量系統(tǒng)的性能。現(xiàn)有多普勒流量計(jì)產(chǎn)品中，對(duì)于頻移信號(hào)的處理方法大致分為整形計(jì)數(shù)、頻率轉(zhuǎn)電壓和頻譜分析三類，總體來說，前兩種方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、測(cè)量準(zhǔn)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(hào)

方法（ZOOM-FFT）對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行處理，它是一種更為有效的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法，ZOOM-FFT法不管從分辨率、計(jì)算量、實(shí)時(shí)性等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析法。

3.1 ZOOM-FFT頻譜細(xì)化算法

復(fù)調(diào)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(nèi)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。在序列變換點(diǎn)數(shù)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(diǎn)數(shù)，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(diǎn)數(shù)的場(chǎng)合。

圖3 ZFFT原理流程圖

模擬信號(hào)x（t），經(jīng)過抗混疊濾波之后進(jìn)行A/D采集得到時(shí)間采樣序列x（n），fs為采樣頻率，fe為需要細(xì)化的中心頻率，細(xì)化倍數(shù)為D。復(fù)解析帶通濾波器的帶通寬度為 隔D點(diǎn)選抽一點(diǎn)，移頻和做N點(diǎn)譜分析，頻帶（f1～f2）用N條獨(dú)立譜線表示。具體算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）復(fù)調(diào)制移頻；所謂復(fù)調(diào)制移頻就是對(duì)原始信號(hào)的頻域進(jìn)行向左或向右的搬移，根據(jù)離散傅立葉變換的頻移性質(zhì)，x0(n)為A/D采集后的離散信號(hào)，

（5）復(fù)FFT；假設(shè)原始信號(hào)譜線為N條，對(duì)重采樣后的信號(hào)進(jìn)行復(fù)FFT，經(jīng)過重采樣后譜線數(shù)為N/D，分

3.2 算法的仿真與驗(yàn)證

對(duì)于本系統(tǒng)中解調(diào)后得到的10kHz中頻上的信號(hào)，選擇中心頻率為10KHZ，采樣頻率為50KHZ，進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT和ZFFT算法進(jìn)行仿真比較。圖4表示直接進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT頻譜圖；圖5為進(jìn)行細(xì)化倍數(shù)D=4，fft點(diǎn)數(shù)為4096的細(xì)化后的頻譜。

圖4 4096點(diǎn)的FFT

圖5 ZOOM-FFT（細(xì)化倍數(shù)D=4）

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(jìn)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/整數(shù)倍）來改變頻譜分辨率，細(xì)化4倍后頻譜分辨率可達(dá)到3HZ，通過對(duì)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(wěn)定性好，能夠有效的提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在超聲多普勒流量計(jì)的研制中，局部頻譜細(xì)化的應(yīng)用有利于后期譜峰搜索范圍的減小及計(jì)算流速的精確性。

4 結(jié)束語

在研究了超聲波多普勒流量測(cè)量理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前多普勒流量計(jì)存在的穩(wěn)定性差、靈敏度低、測(cè)量誤差大等問題，本文從硬件電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法兩方面改進(jìn)了多普勒流量計(jì)的性能。主要的改進(jìn)包括：

（1）采用先進(jìn)的DDS芯片產(chǎn)生超聲發(fā)射電路及解調(diào)電路中的基準(zhǔn)信號(hào)。DDS芯片輸出具有高精度、高穩(wěn)定度的特點(diǎn)，它可以很好的解決由于溫度等變化引起的基準(zhǔn)信號(hào)抖動(dòng)，降低了基準(zhǔn)信號(hào)變化對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的影響。

（2）中頻解調(diào)技術(shù)。通過解調(diào)芯片將多普勒頻移信號(hào)解調(diào)在10kHz的頻帶上，提高了在頻譜分析點(diǎn)數(shù)一定的情況時(shí)系統(tǒng)的靈敏度。

（3）在DSP芯片中使用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化算法（ZOOM-FFT）對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。ZOOMFFT算法有效地提高多普勒頻移信號(hào)的頻率分辨率，并減小了DSP的計(jì)算量，解決了多普勒流量測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精確度及低流速情況下的測(cè)量準(zhǔn)確性。

[1] 江波.唐普英.基于復(fù)調(diào)制的ZOOM-FFT算法在局部頻譜細(xì)化中的研究與實(shí)現(xiàn).[J].大眾科技 .2010.131（7）.48-49.

[2] 李朝暉.劉連傅.姜天仕.段慧明.翟秀貞.流量測(cè)量中超聲多普勒信號(hào)的頻譜特點(diǎn)及其與管道中流速的關(guān)系.[J].計(jì)量學(xué)報(bào).1995.16（1）.68-72.

[3] 丁麗晶.基于DSP技術(shù)的超聲波多普勒流量計(jì)的設(shè)計(jì).[D].大連理工大學(xué).2002.

[4] 羅守南.劉巖.馮冠平.連續(xù)波超聲多普勒管道流量測(cè)量.[J].儀表技術(shù)與傳感器.2004.12.44-46.

[5] 馮若.超聲手冊(cè)[M].南京.南京大學(xué)出版社.1999.[6] 張俊哲.無損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用（第二版）[M].北京.科學(xué)出版社，2010.

[7] 羅守南.基于超聲多普勒方法的管道流量測(cè)量研究.[D].清華大學(xué).2004.

[8]丁康.謝明.楊志堅(jiān).離散頻譜分析校正理論與技術(shù).[M].北京.科技出版社.2008.