基于DSP的超聲波流量計的研究

摘要：超聲波流量計因為具有不接觸被測介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被不斷研究并應(yīng)用在許多領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大的作用。設(shè)計了基于DSP，以多普勒效應(yīng)為原理的超聲波流量計，完成了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。最后對FTR數(shù)字濾波器和FFT算法進(jìn)行了仿真，證明了方案的可行性。
關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；流量計；DSP；DDS；AVR

流量測量與人們的生活息息相關(guān)。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時，人們就已經(jīng)開始關(guān)注灌溉水的流量測量了。現(xiàn)在，流量測量在工業(yè)生產(chǎn)、過程控制、科學(xué)實(shí)驗、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)中都起著十分重要的作用。
超聲波在流動的流體中傳播時，就載上流體流速的信息。因此，通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量，這就是超聲波流量計的測量原理。使用超聲波流量計，不需要在流體中安裝測量元件，所以不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行，因而是一種理想的節(jié)能型流量計。
超聲波流量計根據(jù)檢測的方式，可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。其中，超聲波多普勒流量計除具有一般超聲波儀器的特點(diǎn)外，還有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如對流速變化響應(yīng)快，對流體的壓力、粘度、溫度、密度和導(dǎo)電率等因素不敏感，沒有零點(diǎn)漂移問題，測量條件不變時儀表重復(fù)性好，價格比較便宜等。超聲波多普勒流量計適用于測量兩相流的場合，而能夠用在兩相流場合的流量計是比較少的。本文采用多普勒法為基本原理，來研究基于DSP的超聲波流量計。

1 多普勒法的測量原理
1．1 工作原理
多普勒法測流量的基本原理是：把發(fā)射的超聲波入射到流動的流體中，被隨流體一起運(yùn)動的顆粒反射到接收器，接收到的反射聲波與發(fā)射聲波之間產(chǎn)生頻率差，這個頻率差就是多普勒頻移，它正比于流體流速，因此測量頻差即可求得流速，將測得的平均流速乘以相應(yīng)的流通截面積即可求得容積流量。
利用多普勒效應(yīng)測量的必要條件是：被測流體中必須有足夠的具有反射本領(lǐng)的顆粒，才能得到一定強(qiáng)度的信號使儀表正常工作。因此，多普勒超聲波流量計只有當(dāng)被測流體中存在一定數(shù)量的懸浮顆粒、氣泡或有反射本領(lǐng)的其他粒子時才能工作。多普流量計適用于測量兩相流的場合，這正是其他流量計難以解決的。
1．2 流量方程
如圖1所示，當(dāng)多普勒流量計的發(fā)射換能器以一定的角度θ向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)超聲波時，流體中的懸浮顆粒體將聲波發(fā)射到接收換能器，因為懸浮顆粒隨著流體在流動，所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f。設(shè)頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2，超聲波在被測流體中的傳播速度(傳聲速度)為c，顆粒反射體以與被測流體相同的流速μ運(yùn)動，收、發(fā)兩超聲波束與流體相間的夾角均為θ，則根據(jù)多普勒效應(yīng)，多普勒頻移△f用下式表示：

由式(1)可知，多普勒頻移△f與發(fā)射頻率f1及流體流速μ成正比，與介質(zhì)的傳聲速度c成反比。當(dāng)發(fā)射頻率f1與聲速c恒定時，多普勒頻移△f正比于流速μ，即測量△f可反映流速μ。流速μ與△f的關(guān)系由式(1)可得

式中，S——管道流通截面積。
式(3)為多普勒流量計的理論方程式。由此式可知，當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)及測量條件確定后，頻移與容積流量成正比，測量頻移可反映流體流量。