|
頻移信號處理方法改進超聲波流量計的性能
發布日期：2018-02-09 10:05
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。
|
歡迎光臨西安超聲波流量計廠！
