超聲多普勒流量計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

張麗麗，楊 健，張 偉

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000）

流量監(jiān)測是生產(chǎn)制造過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，流量監(jiān)測的精度直接影響現(xiàn)場工藝能否高效運行。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種原理的流量計的日益增多，測量的精度也不斷提高，基于超聲波信號的檢測方法逐漸演變?yōu)榱髁繖z測技術(shù)的重要發(fā)展方向。在眾多的超聲波流量檢測技術(shù)中，超聲多普勒流量計脫穎而出[1]。其優(yōu)勢：整個系統(tǒng)中無運動部件，安裝拆卸簡便、不影響現(xiàn)場工藝流程[2]。使用過程中不受管道尺寸的限制，應(yīng)用范圍廣泛。

1 超聲波多普勒流量計的檢測原理

在利用多普勒原理進行流量檢測時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在管道外側(cè)對稱安裝一對超聲波換能器，換能器與管道的夾角為θ1和θ2，通常情況下θ1=θ2=45°。在檢測過程中用于發(fā)射的換能器連續(xù)發(fā)射固定頻率的超聲波信號，超聲波信號進入管道內(nèi)流體介質(zhì)會發(fā)生大量反射和部分折射信號波，大量的反射信號波被用于接收的換能器接收，通過檢測接收換能器接收的超聲波回波信號的頻率與發(fā)射換能器發(fā)射的固定頻率進行比較，得到多普勒頻移，從而實現(xiàn)流體流量的檢測。

假設(shè)c 為超聲波在被測介質(zhì)中的速度，v 為管道內(nèi)被測介質(zhì)流速，f 為超聲波發(fā)射的固定頻率，fs為超聲波接收換能器接收到的頻率，θ 是超聲波與被測介質(zhì)流速方向的夾角，多普勒頻移與流速之間的關(guān)系為：

其中，A 為管道橫截面積，Δf 為超聲波發(fā)射與接收換能器頻率差，Δf=|f-fs|。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

超聲多普勒流量計硬件框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)主要由電源模塊、MK60 主控模塊、信號處理模塊以及人機交互模塊和通信輸出模塊組成。本設(shè)計選取ARM 內(nèi)核的MK60 系列單片機作為主控模塊CPU，實現(xiàn)各個模塊之間的通信以及檢測數(shù)據(jù)的處理工作。文本主要介紹信號處理模塊。該模塊主要包括超聲波信號的發(fā)射與接收以及超聲波回波信號的濾波與放大。

超聲多普勒流量計采用的發(fā)射與接收換能器，其中心頻率為1MHz。MK60 主控模塊通過控制發(fā)射電路驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射1MHz 的連續(xù)方波信號，連續(xù)方波信號經(jīng)過管道中的被測介質(zhì)反射到超聲波接收換能器，最后把經(jīng)處理的頻移信號返回主控模塊進行后續(xù)流速和流量的計算。

圖1 多普勒原理圖

圖2 超聲多普勒流量計硬件框圖

圖3 超聲波發(fā)射匹配驅(qū)動電路

2.1 超聲波發(fā)射匹配電路的設(shè)計

超聲換能器是一個非線性時變系統(tǒng)，在不同的工作頻率下，其阻抗特性以及機械振動特性差別顯著。當處于發(fā)射工作狀態(tài)周期時發(fā)射匹配電路應(yīng)調(diào)諧于超聲波換能器的中心頻率下工作，此時換能器耦合輸出功率最大，是最佳工作模式。本文選擇高速功率MOSFET 驅(qū)動器EL7252 作為控制高頻發(fā)射電路的驅(qū)動芯片，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射1MHz 的超聲波信號。超聲波發(fā)射匹配電路如圖3 所示。

2.2 超聲波接收電路的設(shè)計

超聲波接收電路的主要目的是將微弱的回波信號進行噪聲的抑制以及信號幅值的放大，為AD 采樣模塊提供清晰可靠的回波信號。超聲波多普勒流量計系統(tǒng)設(shè)計了基于VCA810 的時變增益放大電路，通過軟硬件結(jié)合的方式形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對放大系數(shù)的動態(tài)調(diào)整，以保證采樣的信號達到系統(tǒng)設(shè)定的最低值。確保AD 采樣數(shù)據(jù)的有效性。該部分設(shè)計如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC/OS III（Micro-Controller Operating System Three）是一個可以基于ROM 運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器。μC/OS III 能夠充分利用硬件資源，變單一任務(wù)為多任務(wù)處理模式，避免CPU 空轉(zhuǎn)，充分利用了CPU，有效提高CPU 的利用率。

超聲波多普勒流量計系統(tǒng)軟件開發(fā)基于μC/OS III多任務(wù)操作系統(tǒng)實現(xiàn)，軟件設(shè)計實現(xiàn)了信號的發(fā)射及數(shù)據(jù)的采集與運算，數(shù)據(jù)的輸出存儲，現(xiàn)場通信功能，人機操作功能以及具體模塊接口函數(shù)設(shè)計。軟件架構(gòu)如圖5所示。在多普勒流量計上電之后，MK60 內(nèi)核啟動，創(chuàng)建各個模塊任務(wù)函數(shù)，完成系統(tǒng)硬件初始化，啟動任務(wù)切換機制，μC/OS III 系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)就緒任務(wù)的切換及響應(yīng)，從而實現(xiàn)超聲波信號發(fā)射接收，頻移信號處理與流速流量計算，以及人機交互的按鍵與LCD 顯示功能。

圖4 時變增益放大電路

圖5 超聲波多普勒流量計多任務(wù)軟件框圖

4 應(yīng)用與結(jié)論

本文設(shè)計的超聲多普勒流量計系統(tǒng)，利用高速功率發(fā)射驅(qū)動電路，在發(fā)射模塊加強信號的輸出，在接收模塊設(shè)計時變增益系統(tǒng)，按照實際需要對信號進行有控制的放大，保證信號的有效性。軟件上μC/OS III 多任務(wù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，有效提高CPU 的工作效率，保證數(shù)據(jù)的實時性。該檢測系統(tǒng)不受被測介質(zhì)有關(guān)參數(shù)的影響，能實現(xiàn)高精度寬流量范圍的檢測，檢測精度可達2%。并且外夾式的安裝方式，不受管道尺寸的限制，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。