（通信与信息系统专业论文）基于dsp技术的超声波多普勒流量计的设计.pdf

摘要 超声多普勒流量诗主要嗣予污承类菲缝净液体霸混寄露侮鬏粒静两楣流 的流量测摄，其优点是：分辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘 瘦纛潼寰筹毽素不敏感。毽裁当藩测量零平来滋，冀糖凄及其它注链都畜德 于进一步提高，因此，超声多普勒流量计的研究无论是对于自动化测量技术 蟾捷寒还怒对于环保事业来波，帮将是一王员投毒意义鲍蕞嚣究课鬈。 本课题设计的超声多普勒流艇计引入先进的数字信号处理技术，在频域 上对多普勃信号谶行奄效的处理，主要处理技术是以恢遂傅里时( f f t ) 变换 为基础的阁期图法和峰值逼近算法。具体方法是首先对多普勒频移信号进行 采样，再进行f f t 变换，进而得到该信号的功率谱，在功率谱上应用峰值频 率的逼近算法，加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率 值，在此熬础上，根据多蒋勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。 为避一步撬高精浚，在遗行数豢采样对，采群率豹选择校据频率值遘行了分 段设置，提高了f f t 变换的频谱分辨率。由于要进行大摄的数据处理，硬件 邀路采塌善l 公霉豹t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 佟为核心楚淫器锌，簌孬满足系统实霄 性的要求。硬件电路除了核心器件外，逐辅以其他滤波及放大电路等，缀终 推瞧一款缕援麓攀、系统宠善鲍毅型超声多簧勤滚量诗。 该系统除了具有一般流量计的显示功能，如瞬时流量、累计流量、累计 时间、瞬时滚速的履示等，还弓l 入了频谱鲍动态最示，蠢利于实对鼹测信号 状态，特别是对于多普勒流量计的安装非常有利。在仪表精度和稳定性方面， 也有了进一步的提高。 ， 关键词：多普勒流量计f f t 峰值逼近t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p a b s t r a c t u l t r a s o n i cd o p p l e rf l o w m e t e r sa r em a i n l ya p p l i e dt om e a s u r ef l u xo fs e w a g e o ro t h e rl i q u i dw i t hs o l i dg r a i n t h e ya r eo f h i g hr e s o l v i n gp o w e r , a n d c a n r e s p o n d q u i c k l yw i t ht h ev a r i e t yo fv e l o c i t y m o r e o v e r , t h e ya r ei n s e n s i t i v e t ot h ep r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r eo fl i q u i d b u tn o w ；t e c h n i q u ei nt h i sf i e l dw i l lb ei m p m v e d ，s o t h e t a s ki s s i g n i f i c a t i v e n o to n l yt oa u t o m a t i cm e a s u m m e mb u tt oe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n 。 h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fu l t r a s o n i cd o p p l e rf l o w m e t e ra r ed e s i g n e di nt h i s p a p e r d i g i t a ls i g n a ip r o c e s s i n g i si n t r o d u c e dt o a n a l y z ed o p n e rs i g n a l ，f o r e x a m p l e ，f f ti su s e dt oc o n v e r td o p p l e rs i g n a lf r o mt i m ed o m a i nt of r e q u e n c y d o m a i n ，a n dt h e nt h ea l g o r i t h mo fa p p r o a c h i n g 辨威v a l u ei sp u ti n t op r a c t i c e + a f t e rt h i s ，f i l t e rs o f t w a r ei si nr i s e t h u s d o p p l e rf r e q u e n c y s h i f ti so b t a i n e d a c c o r d i n gt od o p p l e re f f e c t , v e l o c i t ya n df l u xc a nb ec a l c u l a t e d ，b e c a u s eo f m a s s c a l c u l a t i o n ，t m s 3 2 0 f 2 4 0d s pi sc h o s e na sc o r ep a r ti nh a r d w a r ed e s i g n a n di nh a r d w a r e d e s i g n ，t o w - p a s sf i l t e r , a m p l i f i e r , d ac o n v e c t o ra n do t h e r c i r c u i t sa r ei n c l u d e d t h ew h o l e s y s t e m i ss i m p l ea n d i n t e l l i g e n t t h es y s t e md e s i g n e di si m p r o v e di np r e c i s i o na n ds t a b i l i t y i th a sad i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i ci n d i s p l 萄t h ef u n c t i o no fd y n a m i cs p e c t r u md i s p l a y , w h i c hi s a d v a n t a g e o u sd u r i n gi t si n s t a l l a t i o n k e y b o r d ：d o p p i e rf l o w m e t e rf f t a p p r o a c h i n gp e a kv a i u e t s s 2 0 f 囊瘁ed s p 至置坌翌笙签塑望兰婆差萱塑鎏篓生! 翌一 1 绪论 1 超垮波流量计简余 i 6 l 超声就是指频率高出可听频率极限( 即在2 0 k h z 以上的频段) 的弹性振 动，这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。 超声波技术应用于流量测鬣的原理怒：由越声换能器产生的超声波以莱 角度入射到流体中，襁流体中传播的趣声波就载有流体流速的信息，利用 羧浚鬟懿趣声波镲号就- 霹暖溺量流体戆流速衮瀛熏。 超声波流量计结构简单，压力损失小，而且使用方便，因而得到广泛的 应躁。与葵它耱炎豹滚鬃诗，黧邀磁滚爨诗、淡畿德豢谤、差压流量诗、蒺 燮流量计等相比较，超声波流量计具有以下优点： 袋蠲j 接魅式测量，换麓器安装在管道癸壁，纂本上不予撬浚场，无 压力损失，是一种比较理想的仪表。 测量口径范围大，一般为0 。5 - 5 m ，有时可达1 0 m ，蔼且造伶与口径大 小无关。 换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测凝水、石油等 般导声流体井，还可翻来瓣商温、高聪、强潞蚀、非释电、翁爆和 放射性等导声流体。 邋焉毪好，在哥测弱餐蕊灌肉，阖一台流量诗可浏任键不丽口径的管 道。 无哥动部俘，无簇损，搜矮寿佘长，重爨轻。 安装维修方便，不需要专门的阀门等，不必中断流体流动，不影响生 产。 。 超声波流量计的研究已有数卜年历史了，2 0 世纪5 0 年代末期，超声波流 量计由理埝研究阶段进入工业应周蟊寸期，进入7 0 年代以后，出予集成如鼹技 术的迅猛发展，简性能、高稳定性的锁栩技术的出现与应用，才使实用的超 声波流量计得以迅速发展。 穰据对信号的检测驻理，超声波流量计菲接触测量方法分为：传播速度 差法、多游勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播速度菠法 又分为时豢法、籀差法稻鞭差法。强蔚，时差法酾多普勒法是被广泛采裙豹 基于d s p 拄术瀚趔声波多普勒流量诗静设计 溪豢方法。霾誊差法蕊遗过溅燕蓬声波矮滚霞遂滤蕊疆薅瓣对蓊蓑泰爱浚瀛逮。 早期采用荦声道工作方式，并且对流速断面的变化比较敏感，受餐诺数、管 鼙糖糙凄嚣黪璃，橡定搂较莲。嚣寒套天嚣发了多声道王俸方式，簿蕊了获 袭对流速断褥的锻感性，同时也褥高了精殿，但相应的电路的复杂性就增加 了。黠差法投震秘麓，发然波属予窄声褰怒声渡，一黢只逶焉予涟净懿攀耀 液体，煎窄声束笈辩存在蔽牧信号强度弱的问题。为了嵬服这问题，燕国 c o n l r o l o t r o n 公司研究了爨声束发劈重技术，使德时蘧浚璧计除了熬溅鳖攀挺 竭匀液捧瓣流量，迸霹域测器含青少量气淹窳强髂颡粒的液体静流量。但宽 声柬发射癸求探头与管道声匹配良虫予，这栉一对收发探头一般只然适垮予特 定嚣簧耪霸潼径，遂霹焉产来谡，怒一令缀不纛虢函素。多善鞍法弱弼静是 声学多普勒原理，通过钡4 鬣不均匀流体中散射体的超声波多普勒颁移乘确定 瀵葵靛凌羹。鼙下将黠多磐瓣洼避 亍漤绥奔溪。 1 2 超声磐普勒溅量计的发展 灭弱辩越声多蓊赣蠢蚤诗蕊磷究秀瑟予2 0 篷纪鞠年代末与弼年代韵， 进入8 0 年代姒后，幽于电子技术的发展，特别是微电脑的出现，傻进了煺声 装爹蔫赣流爨诗羹麓震。越声多簧钠滤羹诗是蠢鬟声学多簧赣效藏，辍褥爱 射声波与入射声波之间的频率差( 即多普勒频移) 浓求流遮和流镦的，这献 要求漆薅孛谨在戆菱鼓声波瓣鬏靛蔽气迩。多善爨法熬主要应焉键藏畜； 台宵固体颗粒的两相流的流量测鬣，如矿浆、工业污水、城市污水 ； 瘸镳往藕衡毒液体( 如氰化物) 蛾食品工姚中卫生要求粥的流体的 流爨测量； 塞瘸子蘸鞠麓要求不商，德饔求誊复性好的场合，如作为流量开关， 或漱在泵上作为泵的保护毅置； 虿鬻子麓大瓣器管道察楚澎管道，噩源毽上不受蛰径静嘏涮，其谶 价慕本上予管径无关。 趣声多蘩赣囊爨诗濠了蕊毒j 搂麓式虢蘩诗嚣一黢籍熹，其突籀霞点楚： 分辨率高，对流速炎化响碰快；对流体的臌力、粘胰、温殿、密麟 n 导电辫 港霆索不敏感，秃零点漂移簿逮题：涎量条谗不变辩重复穗姆；羚枣蓦鞍囊寰 基 d s p 箍零鳟超声薮雾营鞋濂赣计鲍最诈 ( 只有棚圜口径黪电磁淤量计价格的十分之一) 。它的缺点在于；流量测薰糖 寝除了致浃予发射频率辩，流诲中反瓣体颥毅酌浓度、粒径大，j 、径藏、粒 子的分稚及流速分布等因素的变化对流擞测量糙确度均柱影响，管道振动也 是参营勒漉量诗溺蛋熬一个误差寒深。除了透过信号楚毽电路慕阵抵误蓑努， 软件上数字信号处理技术的引入成为提商测量精度的关键。 f f t 抉速鸳墨赞变羧) 落分鞭鼓术靛应焉，实褒了多善赣流量溅萋方法 真正的进步。用f f t 方法来分析反射波谱，可分辨出哪个频率是由干扰噪声 引怒戆，耧个右慧壶流速僖号；l 怒鳇，大大增强了多营鞔滚萎诗对静频率 成分的分辨能力。圈前国际上只有美国的c o n t r o l o t r o n 公司首先将先进的“同 步调制”秘f f t 技术应耀予流量诗上，接港了1 9 0 系裂静多普赣流量计。还 有荚国p o l y s o n i c s 公司摊出的便携式d d f 3 0 8 8 獭夹装式多普勒流量计，这是 该公司推出的数字化便携式多普勒流量计，它采用数字滤波和数字频谌分橱 技术，麓自动识熟多普勒信号和礤声信号，抗干扰能力强，确像测量准确、 可靠。该公司最避又推如了固定式d d f 4 0 8 8 型全数字化多普勒流量计，采用 悫遴魏数事落号始理技零，撬手魏麓力较翟，浏蓬奔鏖麸矿浆、原涵弼带气 泡的干净水、成品油、腐蚀性液体。这魁国外的最新研究动向。但由于该类 流避诗产熬蛰捂鼹责，不哥襞骜遍爱霆。焉在嚣内，到褡嚣为壹，j 丕浚有天 将数字信号处理技术引入彩普勒流量计中。也就是说，还没有同类产晶应用 予生产实黢中。本课题的秘的是将f f t 数字信号处瑾技零瘴露劐多普勒滚量 计的设计中，设计出一款新型的翘声波多普勒流照计。遮是该领域里的领先 按术。选撵这一漾题，对辫民经济懿发袋其奁实际意义，龙其多普鞔滚蹙诗 主要是焉米计量污水和腐蚀性液体的，嗣此，本课题的研究对环保事业来晓 意义是重大舱。 苎王里! ! 垫查堕塑兰鎏兰兰塑堕量生堕堡生 2 超声波多普勒流量计工作原理 2 1 多普勒效应 7 1 由于波源或窥察者的运动而产生的观测频率与波源频率不同的现象称为 多普勒效应，这是多普勒在1 8 4 2 年发现的。多普勒效应在现在科学科技中得 到了广泛的应用。 下面就声源相对于静止的观察者运动和观察者相对于静止的声源运动两 种情况推导多普勒公式【8 】。 p0 r 1 五r 图2 1 1 声源运动舰察者相对静止 f i 9 2 1 1s o u n d s o u c 8m o v e s o b s e e ff e s t s 图2 i - 2 观察者运动，声源相对静止 f i g2 一i 2o b s e r v e x m o v e s & s o u n ds 0 u c 8r e s t s 2 1 1 声源运动，观察者相对静止 ， 如图2 - 1 1 ，p 为观察者，处于静止状态，振动频率为f 的声源q 以速度“ 沿x 轴正向运动。设声源行至r - 时的声振动需要经过时间t 后被观察者接收 到，经过很短的时间出后声源行至r 2 ，此处的声振动需要经过时间t 2 后被观 察者接收到，如果设声速为c ，r ，p = q ，r ，p = q ，则有 铲钐，铲钐( 2 - 1 1 ) 经r 2 向rx p 做垂线交r i p 于点a ，由于所取的时间a t 很小，因此有 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的设计 f l 一7 2 = r t a = u a t c o s 0 ( 2 _ 1 _ 2 ) 其中目为r 与x 轴正向的夹角。 设出+ 为声源由r ，点运动到r 2 的过程中接收者接收到的声振动的持续时 间，则在时间轴上有下式成立 a t = a t f l + t 2 ( 2 - 1 3 ) 考虑( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) ，则有 ，：，一( _ 一q 形：( c - - r c o s o ) a t c ( 2 1 4 ) 因此观察者在出+ 时间内所接受到的声源的总振动次数为必f ，所以由频率定 义及式( 2 - 1 4 ) 可得到观察者所接收到的声音的频率厂为 ，= 等= 三丢厂( 2 - 1 - 5 ) 讨论： ( a ) 当出j0 ，则r l 屁2 - - 9 0 ，式( 2 - 1 。5 ) 就是声源运动到r l 点时，观察者 接收到的瞬时频率，它随着0 角而变化，即随着声源在x 轴的不同点、不 同时刻而变化。 ( b ) 当口为0 时，就是声源向着观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频 率为 j = 二一 f ( c ) 当目为7 z 时，就是声源背向观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频 率为 f j ：一f ( f c + 村 2 1 2 观察者运动，声源相对静止 如图2 - 1 2 所示，q 为声源，处于静止状态，观察者以速度沿x 轴正向 运动。声源所发出的振动经过f ，时间可传播到s l 点，经过，：时间可传播到s 2 点。考虑到声源产生的振动在空间传播的特性，观察者行至s l 点时声源所接 收到的声波应该是观察者行至s 处声源所产生的声振动；同理，观察者运动 董王旦翌垫查箜塑皇鎏墨堇塾堕量生竺堡生 到s ：处所接收到的声波应该是观察者行至处声源所产生的声振动。设观察 者从s ，处经过出时间行至s 2 点处，与2 1 1 中研究方法类似，由图2 - 1 2 有 卜钐 ( 2 1 6 ) 向 a t + = a t + f 】一f 2 ( 2 1 7 ) 考虑到a t 很小，所以有 7 l = f u t i c o s o f 2 = r 一“( f 1 + a t ) c o s 0 ( 2 - l 一8 ) 于是有 7 l 一2 = u a t c o s 0 ( 2 - l 一9 ) 综合( 2 - 1 6 ) ，( 2 - 1 7 ) ，( 2 - 1 8 ) ，( 2 - 1 9 ) ，可以得到 r + ：坐( c + “c o s 臼) ( 2 1 1 0 ) 因为观察者在础时间内所接收到的声源的振动次数为f a t 次，所以观察者所 接收到的声波的频率为 厂= 等= 半笋f ( 2 - 1 - 1 1 ) 讨论： ( a ) 当出+ 斗0 时，s s - 0 ，式( 2 1 1 1 ) 就是观察者运动过程中接收到的瞬 时频率，它随着0 角的改变而改变，即随观察者所处的不同位置、不同时 刻而改变。 ( b ) 当目= 0 时，就是观察者沿着声源运动，此时观察者所接收到的频率为 j = 塑f f ( c ) 当0 = 7 时，就是观察者背离声源运动，此时观察者所接收到的频率为 j ：坚 f 以上就是关于多普勒效应的解释及其公式推导。 薹主竺翌茎垄整塑兰望篓整墼鎏茎蓥鳌鋈茎一 2 ，2 超声波多普勒流量计测量原理州 2 2 1 工作原理 趣声波多普勃滚量诤数溅量原理是以甥理学中多警魏效应为基礁，凝握 声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声 频率将不围于声源所发出的频率，这个雕粳对运动两产生的频攀变化与鼹铭 体的相对速度成正比。 在超声多普勒测量方法中，超声波发射器为固定声源，随滤体一起运动 的函体颡筏起了与声源裔辐对运韵静“躐察者”的作用，当超声波发射器所 发射的固定频率的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收器上的超 声波频率簸会与发射额率之闻畜一个差 鬟，这个颓率差就是由予流体中阐俸 颗粒运动丽产生的多普勒频移。由于这个频移量砸比于流体流遴，所以测量 该频差藏哥醴求霉波速，遴瑟求窭 滚落溅爨。 因此，超声波多普勒测量的一个必要条件就是：被测流体介质应是含有 一定数量可反射声波豹国体粒子绒气逛等瓣两耀分矮。 2 2 2 流爨方程 缓设，趣声波寒与流体运凌速度鳐夹角为搿，超声波转播这壤为c ，流体 中悬浮粒予与流体流速相同，均为“。在此前提下，我们推导多普勒频移与流 体漉速之翊鹃关系式。 如图2 - - 2 - i 所示，当趣声波束 ， 在铃轴线上遇到一颗固体牲子，该 粒子以速度“沿管轴线运动。对越 声波发射器而言，该粒予以速度 “c o s a 离去，所以粒子收捌的超声 波频率厶应低于发射的超声波频 率正，摄据上节多瞽霸公式维导可 知，这种情况可以看作是声源不 动，嚣鼹察者在遮动，赦壶公式 ( 2 - 卜i 1 ) 得到粒子所接收到的超 声波频率为： 一一争一一粤 銎2 2 i 多警鞠效建承意图 f i 9 2 2 * ld o p p l e re f f o e ts k e t e h m a p 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的设计 ：i ( 1 + “。0 8 一型) = z ( 1 u c o s 口) ( 2 2 一1 ) 式中 f 一发射超声波的频率： 口一超声波束与管轴线夹角； c 一流体中声速。 固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以“c o sc 2 的速度离开接收 器，所以接收器收到的超声波频率 又一次降低，这种情况可看作是声源运 动而观察者静止的情况，依据公式( 2 - 1 5 ) ， 可表示为 2 j 一。：南2 i 蕊ci 石( 2 - 2 - 2 ) 将 的表达式代入上式，可以得到： = 竺塑塑 c + “c o s a ( 2 2 3 ) 接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差，即多普勒频移 ，可由下式计算： = 工一厶= 塑 ( 224 ) 由于超声波的速度远大于流体流速，所以上式可写成 = 石一厶= z 一2 u c o s a ( 2 2 5 ) 由上式可得流体流速为： “= 一4 厂， ( 2 - 2 6 ) 2 f , c o s 口。 、 体积流量为： 矿：兰( 2 2 7 ) 2 fc o s d 。 、一 。7 其中爿为被测管道流通截面积。 由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普 基于d s p 技$ 抟趣声渡多蕾粒浇羹计黥礁诗 勒频移与体积流爨成正比，所以测量频穆量可就可以得到流体流量y 。 2 2 3 有关流量方程的几点讨论 2 。2 3 1 流体会袋温度对测量弱影嫡蹦 由上面流量方程可知，流量 溺量受到流髂中声速c 黪影蠹。 一般来说，流体中声速与介质温 度、余震缌分育关，难以保持霉 数。为避免这一影响，越声波多 普勒流量计一般用管外声楔结 构，使超声波束先通过声楔及管 壁再进入流体。设声楔材料中的 声速为c i ；流体中声速为c ；声 波由声楔进入流体的入射角为 图2 2 2 声禊与声液酌折射 f i 9 2 2 2 s o u n d w e d g e f e 冉虹o n o f s o u a a d w a ”e 声；在流体中静孝呼瓣角为妒：超声波束与流体流速夹角为掰；如图2 2 2 新示， 根据折射原理，存在： 幽n 秽= 钐，而。口一n p 联以有 c c c o s 盘n 妒= n 芦， 味2 - 8 ) 褥式( 2 2 * 8 ) 代入式( 2 。2 7 ) ，可得： y = i 箩， ( 2 2 9 ) 2 ，：s i n 声7 7 由此可见，采用声楔结构以雁，流量与频移关系式中仅含蠢声楔材料中 浆声速e l ，丽与流体夯震中的声速无关。由于西体声速的温度系数至少比液 体声速的温度系数小一个数量级，所以该流量方稷式基本上不受瀑度的影响， 也藏是巍，多普赣法溅滚蘩基本不受温度豹影确。 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的菠计 2 。2 ，3 。2 浚 奉动力学分凝【t o - 1 3 1 萤_ 一 苫 彰穸琏 h t 图2 2 。3 管内湍流谴度断面与越鬻射线轨濑 f i g 2 * 2 - 3v 如c 姆$ e c 虹o n o f t u r b u l e n t t l o w & t s e e eo f u l t t a $ c 础er a d i a t + 工韭流体绝大多数情况都是邋过一定赢径管道流动的，在流体流速较大 或粘性较小时，流体的流动呈湍流状态，葵管内流体沿攒截面流速分布规律 絮鬻2 2 3 意瑟部分所示。潼然，灞流状态的流速分布( 对数速度分布) 沈层 流状态的流速分布( 抛物线分布) 臻均匀得多。所以，越声波流爨计适宜应 用在漶滚状态滚俸中，| | 美减少壶予漉速分帮不均匀丽弓i 起的测量谖差。在一 r 、 般情况下，当雷诺效r e 。! 竺4 0 0 0 时，可以认为已达到滴流状态，式中d v 是管道直径，a 是流速，v 是流体的运动粘滞系数。 e 节推导流量方程式时辨傻月豹滚速u 实嚣上是浍管遥接截蘸懿平均流 体流速，而管内流速分布的规律根据文献可知，对于光滑网管来说，其速度 公式可以写成下式 疋一一了 u ( r ) = 1 + 1 f 芸【1 8 7 5 + 1 2 5 i n ( 1 一七) 】 i ( 2 2 。1 0 ) 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的设计 即距离管轴线距离为r 的点的流速u 与平均流速“有着对数关系。式中，兄为 光滑圆管的阻力系数，它是流体雷诺数的函数，r 为圆管半径。由图2 - 2 3 可 知，在管轴线处流速为最大值u 。，而趋近于管壁附近处时，流速按对数规律 急剧下降到零。由此，我们可以进一步分析超声波射线在流体中的传播轨迹。 假设超声波在静止被测媒质中和声楔中的声速分别为0 2 和c l ，入射角和折射 角分别为口和，由折射定律可得 s i n f l ：垒s i n ar 2 2 1 1 ) r 在图2 - 2 3 中，f 表示超声波发射器，j 表示超声波接收器。显然，超声波在 0 点沿0 p 方向传播并在点p 处发生折射，其折射规律服从式( 2 2 1 1 ) 的关系。 当流体静止时，超声波射线在流体中轨迹为直线p b 。对于流动流体，由于超 声波在流体中任一点的速度c 2 。等于静止流体的声速c 2 与该点流体流速u 之矢 量和，即c ：。= c ：+ “，可以证明，超声射线在流动流体中的任一点的折射角， 可以写成下式 s i n f l 。：! 堕s i n 口 ( 2 2 1 2 ) c l 上式说明，超声波射线在流动流体中的轨迹应为一条曲线，即如图2 - 2 3 中的 曲线p - b ，在点p 和点b 处，由于“= 0 所以尻= ，而在r = 0 处，由于“：“。， 所以夙= 风。曲线轨迹p b 与直线轨迹p b 在几何路径上相差很小，即点b 相对于点b 的偏移很小。根据文献，当管径d 为3 0 0 m m 时，这个偏移( b b ) 还不到一个毫米。这样可以认为，点b 的出射角与点b 的出射角相等，即仍 为入射角口。 。 由上述分析可知，我们在根据几何声学原理推导流量方程时，采用如下 几点简化假设： 1 ) 管道内各点流速沿横截面均匀分布并认为等于平均流速二： 2 ) 不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改 变： 3 ) 忽略声楔折射面上的曲率，并认为管道内壁是光滑的。 假设1 ) 说明，只要求出平均流速就可求得流量；而假设2 ) 和3 ) 说明在 流动的被测媒质中，超声射线仍然服从( 2 2 1 1 ) 的折射规律，也就是说，式 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的设计 ( 2 - 2 1 2 ) 完全可由( 2 - 2 一1 1 ) 代替，这样，卢。，= 卢。= 9 0 一0 ，此处0 为超声 波射线与管道轴线之间的夹角，从而得出一个重要结论：超声波在流动的被 测媒质中的传播速度等于静止流体中的声速c ：与流体平均流速在超声射线方 向上的分量“c o s 0 之代数和。 正是基于这些假设，我们推导了流量方程。但是，这里我们所说的平均 流速是按管道横截面平均的，可称为面平均流速，而超声波流量计所测之流 速是超声射线上之平均流速，即是按射线路径平均的，可成为线平均流速， 线平均流速与面平均流速之差异可通过流体动力学修正系数来进行修f 。这 个修f 系数可通过实验测定。 蕊予d s p 技本静摧声波多普勒瀛羹 中的设谱 3 系统硬释设计 3 ，1 整体硬馋缕梅摧豳f 1 4 q 5 ， 整个系绞骢疆磐络搦设诗蜀分为鼹大邦分：超声波没袈、按牧搽头及调 瑷电路的设计鞠数字系统的设诗。探头魁来宠戏超声波蛉发射秘接收功娆。 接收到翁超声波经带邋滤波璐调放大瑶，通过僬运放大溪理魄路，簸氆含有 波速信感的低频模拟穗号，提供绘后续的数字系统遴行处理；数字系统部分 怒以t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 为棱心嚣 孛，麓以麓缝辨豳电路。数字系统部分筵整令 仪表的核心，受贾整个仪表的控制和数字信号瓣处理。整体缝梅撮图见图 3 一l l 。 由圜可见，该系统磷髂结构锻含骶大模块，第一大模块楚模拟系绫部分， 主要戴摇超声波发射器张接收嚣、繁遗滤波及鳃调放大毫路、诋运滤波器 t l 。c 1 4 和信号放大嚣a d 6 2 3 ；第二大模块蹩数字系统模块，该模块以 t 城s 3 2 0 f 2 4 0 数糖髂号她谶嚣( 其转毯设餐中趣窘a d 转捩亳路、串行羚设接 口、双向i o 豳等) 为核心器件，外搬l c d 波磊鼹示嚣、j t a g 接口、4 x 4 小 键盘、可编程l o 位数摸转换器t l c 5 6 1 5 、魄流魄压变羧嚣撵a d 6 9 4 霹零行 e 2 p r 0 雠x 5 0 4 5 等夕 匿嗽路。 整个系统静处理过程是：营先超声波发鸯于蛰以一定热瘦逡流体申发射 1 m h z 黪超声波信号，援l | 曼器将接收到的馕号转换成电信号，缀窄带晦瓷滤波 嚣滤波后逆行信号放大，之爱瓣调电路瓢中越调斑频编接号，该信号篱经过 低通滤波嚣滤除高频噪声，经放大电路进行信哿放大聪，送到t m s 3 2 0 f 2 4 0 躲 模数转旅器( a d ) 进幸亍模数转换，袋撵数掇在定时中断服务程序中投送入 环形数据缓冲隧。t m s 3 2 0 f 2 4 0c p u 对所褥到的数字序列进行处理，褥到频偏 埴，再梗据仪表参数遴芎亍流逮、流量、累诗流量簿联蒜袋熊数据鬣醵诗舞， 丽焉这些爨被邀人指定的数据缓冲区，供l + c 1 ) 鼹示、模拟爨输出等使用。 敬下各章节将疑露奔绥各模块工 擘骤镤及典体实现退路。 罄予d s p 技术麴越声波多普勒流攫计的设谤 鹜3 - 1 w l 趣声漩多譬鞠流量舌 簦淬结梅摄隧 f i g 3 - 1 * if r l e w o ：k 。f u h a g 。m cd o p i o l e x f l o w n l e t e f 3 2 系统电路原理圈 系统原理图见图3 - 2 1 。 一1 4 “ 口 + _ 叫 l j 九 0 0 l l n _ 。絮g。专一呻叶岔 基于d s p 技术的超声波多普勒流量计的设计 3 3 模拟系统模块 该模块主要是将探头接收到的信号进行处理，得到含有流速信息的多普 勒频偏信号，提供给数字系统部分进行进一步分析和处理。探头接收到的信 号首先通过中心频率为1 m h z 的窄带带通陶瓷滤波器进行滤波，然后进行放大， 将得到的有用信号送入解调器，从而解调出含有流速信息的低频多普勒频偏 信号，再将该信号送至调理电路进行滤波放大。 调理电路部分主要由巴特沃斯低通开关电容滤波器t l c l 4 和单电源仪表 放大器a d 6 2 3 构成，分别实现信号的滤波和放大功能。本系统中该部分的电 路设计见图3 3 1 ( 图中地均为模拟地) 。 s 图3 3 1 低通滤波器及放大调理电路 f i 9 3 3 - 1l o w l o a s s & c k c u & o f m a g r a i c a t i o n 以下对t l c l 4 和a d 6 2 3 分别进行介绍 量姜曼照垫查照塑望鎏星竖墅丝萋鼓塑堡生一 3 。3 ， 鬣通嚣演器t l c l 4 避 因为接收电路解调出来的信号除了多酱勒频偏僚号以外，还可能存在葵他 蠢凝礤声，辫戮，豁蘩畜燕遮嚣滚邃一嚣节寒溪溶高频予貔。零豢统中辩诋 通滤波器巢用t l c l 4 。 t l c l 4 怒单蠢嶷畿藜鬻辩誉黪添搿戴撩开 关电容滤波器，魑成本低、易使用的器件，在 毫鼹诿谤辩挺餐穗寮懿嚣泠话逶滤渡器费煞。 其甜装形式如图弘3 2 ，日f 脚说明如下。 零l 瓣说葫： 鸯3 3 i l e 秘瓣装萋 融9 3 - 3 - 2 p a c k a g eo f t l g l 4 瓣盔豫缔号t t o落骥 c l k l n ii丑守钟输入端。c l k i n 蕊c m o s 藏裙时钟附输入端城内部时钟选 择。对这磷转选择，臻接裂￥t 。簿建嚣蛙糖，在鞋蔗 x i 和c l i r 之间接一个电阻，在c l k i n 和地之间接一个电容。 p n 2l 酵镑逸照。c l k r 是 强装容瓣耱瓣辕入涟。霹 豫对锋：淤 l 连滚副电源韵中间电位，c l k i n 可以开路，但避推荐连接剿 v c c + 或￥筑。 强3 电平移动端。l s 容许祷种输入时钟选撵。对0 s 兼容时钟 或淹部黠镑，1 8 连疆舞￥e 乞：赙h l 黎察黠镑，媾巍奄添 中翔电位。 v c 奠 连l 受啜源嫒入蜷。 ， f j 0 e r 蠲50 雹特沃斯因阶低通滤波器输出。 a g n d6i 模撄缝。巴特浜赣因除蘸运滤波箍麓逐黢瓣芷掇赣丸， v c c + 7 j 正电源输入瑞。 ff i l 曩8 ri k8王 滤渡鹱赣久端。 该滤波熊的特点是截止频率稳定性只枷外部时锄频率稳定性搿关。截止： 菝蜜疑辩势爵潺爨，莓对舞藏壹鞭率琵两1 0 0 ：i ，误差，j 、予i 麓。输入瓣 基于黼p 授零静耀声渡多酱勒藏量计髓设诗 辩麓特点怒对毫平平移蠛( l s ) 采焉不嚣涎接法， 冀霞在蠹露对镑、t t l 或 c i o s 兼容的外部时钟之间进行选择。另外，其特性还有： 井鼙嚣 争对漂嚣滠漂弓l 怒黩滤波嚣夔壶德差禳小； 戳止频率范围为0 1 h z 到3 0 k h z ( v c c ：士2 5 7 ) ； 王作电压为5 ￥弱t 2 v ； 和美国围家半导体公司的m f 4 一】0 0 引脚兼容； o 魄源迄毯敏感囊低。 在该调理电路中，本系统选择的是对c m o s 兼容的外部时钟，其时钟频率 躬选择喜鳃下计算方法； 1 3 t l 溅。氏6 9 r c 考虑仪表的实际应用情况，所获椒的多普勒频移信号频率不会超过3 k h z ，而 t l c l 4 的辩镑一截止频率魄鸯1 0 0 ；! ，系统设喜十霹结合实际灏爨鬻竟骛溅， 选取的电阻r 为8 2 k ，电容为6 0 0 p f 。这样频偏信号可以有效输出，由于输 出僖号强发较弱，不笺满足采样翡要求，毖颂进行竣大，鼹辇乏爨渡器输文蕊 信号被送往信号放大电路a d 6 2 3 进行放大。 3 3 。2 绪号敖夫器a d 6 2 3 霹 a d 6 2 3 是一个集成单电源仅袭放大器，它能在单电源( + 3 vn + 1 2 v ) 下提 供满逮添校瘦羲输爨。a f l 6 2 3 竞诲傻霜鼙个增益设嚣电阻避行增益编程，戮褥 到趸好的用户灵活性，且符合8 引脚的工业标准日l 脚配鼹。在无外接电隰条 捧- f ，a d 6 2 3 蔹设嚣隽鼙位罐蓥( c - ：- 1 ) ，在接久爨按耄阻籍，a d 6 2 3 可编舔设 置增益，其增益最高可达1 0 0 0 倍。 a d 6 2 3 暹过提供穰努豹藏壤藏漕六蔼蹭大静交流共摸捧麓琵( a c 铡r r ) 而像持最小的误筹。线路嵘声及谐波将由于共模抑制比( c m r r ) 在窳达2 0 0 h z 秘仍霖簿瞧定磊受鳓搀裁。a d 6 2 3 纂有较窝黥荚搂输入蔻溺，它可淤放大戴有 低于地电平1 5 0 m v 共模电聪的信号。 基予d s p 技术媳越声薮多蒋鞠流量汁瓣蹬诗 低功糕( 3 v 时l 。5 r n w ) 、宽邀源电压蕊鬣、瀵魄溧捶囊输出，镶a d 6 2 3 藏 为放大电路的理想选择。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态 范麓这爨最大。h d 6 2 3 可敬找分立熬仪表教夫器设诗，且在最小熬空闯交撬供 很好的线性度、温度稳定性和可靠性。 a d 6 2 3 舱增益出遴雩亍照阻缡禚，嚣趣l 鬓鞫8 鹰之阀豁隘挽来凌定。 a d 6 2 3 被设计为使阁0 1 - - 1 容限的电阻提供精确的增盏。对于任意增益值， 夕 掇电阻露惠以下公式计冀： r 。= 1 0 0 k f 2 ( g 一1 ) 。 本系统中，该壤隆在1 0 k 范甏滤连续哥镤。 基于d s p 控术豹超声渡多营勒流量诗靛设诗 3 4 数字系统摸块 鞠3 - 4 1 歉掌系统邀爨设计 f i 9 3 - 4 - ic i r c u i td e # i 弘。f 蠢酗虹瑙t e 椎 一2 0 - 墨主登i ! 茎查塑麓至篓篓董塑鎏耋曼黧堡茎 数字系绞梅裁攥翟懿溪3 - 4 1 耱示。 数字系统主强实现对数据的处理以及整个仪表的控制功能，它以 t m $ 3 2 0 f 2 4 0d s p 为棱心器转，终热其它辚壤电路及设备梅袋。落下对各懿分 进行介绍。 3 ，霹 手鬻s 3 2 露f 2 船d s p 孛；蚤处瑾萆嚣擂j t m s 3 2 0 f 2 4 0 是荧国t i ( 德州仪器) 公司为满足控制领域的应用而推出的 l s 位定点d s p ，宅褥蘸性裁、爨功戆漪d s p 内菝窝先避懿舞援接口貔路结会在 一超。 7 l e l s 3 2 0 9 2 4 0 篡有鞋下主要整麓； 1 ) 核心c p u ： 3 2 位中央算术透饕蕈元( c a l u ) ； 3 2 位加法器： 1 6 霞1 6 霞劳嚣黍法器，3 2 健黍获； 三个寇标移位寄存器： 8 令i 6 位辅黝鹰存嚣，赘霄一个专鞲鳓算寒蕈露，甓慕俸鼗嚣存 储器的间接寻赶i = 。 2 ) 存镶器； 1 6 k 字x 1 6 位的片内闪德e 2 p r o m ； 片蠢5 4 4 字x1 8 霞鲶双蜷墨数攘程枣r 蕊，2 2 4 k 字1 6 筮翁最 大可寻址存储器空间( 6 4 k 字程序空间，6 4 k 字数攒空间，6 4 k 字t o 空涟蠢3 2 k 字豁垒爨空阕) 。 3 ) 速度：5 0 n s ( 2 0 m i p s ) 的指令周期，几乎所有指令都可以在一个5 0 n s 的单 髑焱蠹技行完毕。 4 ) 程序控制； 4 级警避操作； 8 级硬件堆栈； 8 令羚帮中龌。 摹予d s p 按术赖趣声薮枣酱赫蕊茧计熬谨键 5 ) 指令系绞： + 与t m s 3 2 0 家狡的c x ，c 2 x x 和c 5 x 定点产晶在源代硒级兼容； 单指令重复操作； 单周期的乘法加法描令； 程序数据管避鲍存储器块移动指令； 基2 恢速傅立叶变换( f f t s ) 的位反转索引寻址功能。 6 ) 电源： 静态c 琏o s 技术； 4 种低电源模式以降低电源攒糕。 7 ) 仿真：与片两扫摇仿粪逻辑稻涟豹t e e e 标准1 1 4 9 + 1 测试访闯端口。 8 ) 事件管理器： 其有1 2 个沈较脉宽调箭( p w m ) 通邋( 其中9 个褶互独立) ； 三个1 6 位通用定时器，有6 葶申：e 作模式，包据连续递增帮连续艇 减计数； 三个1 6 位全比较单元，有死噬功能： 三个1 6 位筒零皖赣鼙元； 四个捕获单元，其中蠲个有芷交编码豁脉冲接口功能。 9 ) 双玛豫模数转换器( a d c ) ，装1 8 个通道，箕采祥率可达t 6 6 6 k h z 。 1 0 ) 2 8 个独立可编程的多路复用i o 引脚，包揆p a 0 一p a 3 ，p b 0 一p b 7 以及 f c 0 一p c 7 等。 1 1 ) 串行通信接口( s c i ) 靼串行外部设铸接口( s p l ) 。 j 2 ) 繁实黠中断( 豁i ) 的褥门弱( 褥) 定时器模软。 13 ) 基于锁相环的时钟模块。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 采雳竣逶赫硷耱缩构，芯片内部其有两套独立酌耩序存衡器 总线和数据存储器总线，从丽使其处理能力得到最大程度的优化。 本系统电路中，p a 0 一p a 3 ，p b 0 一p b 3 弼来与毽懿接口，p a 0 一p a 3 配置为输 入口，接收按键信息，p b 0 p 8 3 配掇为输出口，输出键盘扫描码；p c 0 一p c 7 配 基于d s p 技术的超声波多普勒流擞计的设计 簧为输出口，用来与液晶显示器的数据线相接 - 3 ，p b 4 和p b 5 分别为输入和输 出目，弼来与液螽显示糕髂握手信号线接口。p b 6 配羲为输毒翻，控潮枣厅 e 2 p r o mx 5 0 4 5 的片选信号。模数转换器选用了弟一路a d c 的通道5 。外设接 翻( s p i ) 爱亲对d a 转换器t l c 5 6 t 5 和x 5 0 4 5 逡嚣操嚣。 3 4 2 液晶显涿器及瞧源模块 本系统中所选用的斑示器慧0 c m j 中文模块繇列液晶图文显示器，熊内含 g b2 3 1 2i 6 1 6 点阵国栋级简体汉字和a s c i i8 * 8 点黪荚文字库，用户输入 区位码或a s c i i 码即可实现文本显示。该系列液晶显示器同时为用户键供位 点阵和字节点降两种图形显示功能，用户可在指定的羼幕位置上以位为单位 或以字节为单位进行图形显示。用户可以清除或上下左右移动当前髓示屏 幕。所有的用户接口命令都是离级语言格式，有9 个易于记忆的用户接 ：= l 命 令代码，减轻了编程负担。 用户硬件接口采用a s k a n s w e r 握手协议，简单可靠，采用8 位并行数据 格式。a s k = i 表示o c m j 忙于内部处理，不能接收用户命令；a s k = o 表示o c m j 空闲，等待接收用户命令。图3 4 2 说明该协议。 a 溅 ：厂 厂_ 州。m 厂 厂 图3 4 。2 显示器攫手协议 f i g 3 4 - 2h a n d c l a s p p f o t o c o lo fd i s p l a y 该避示模块与t m s 3 2 0 f 2 4 0 的绩日觅豳3 - 2 一t 。a s k 帮a n s w e r 分剐两两个 苎里翌垫查堕型主塑兰萱塑堕墨生塑堡生一 独立的i o 口控制。对该显示器的操作简单易行，当c p u 检测到a s k 信号为 低电平时，送出相应操作命令，而后等待a s k 变为高电平，一旦a s k 为高电 平，即显示器开始接收命令，就送出应答信号a n s w e r ( 高电平) 将数据锁存， 拉低a n s w e r 等待a s k 变低电平，开始下一次操作。 系统采用a c d c 变换器将2 2 0 v 交流电源信号转换成直流信号给系统各部 分供电。 3 4 3 外部r a m 及串行e 2 p r o mx 5 0 4 5 1 9 】