超聲波多普勒流量計性能的改進(jìn)研究

    0 引言

    超聲波流量計是一種非接觸式流量計量?jì)x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(zhì)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(fā)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(jìn)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(chǎng)上的超聲波多普勒流量計產(chǎn)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(jiǎn)單的傅里葉變換（FFT）等方式。因此，它們普遍存在著(zhù)測量穩定性差、精度低、動(dòng)態(tài)響應慢等問(wèn)題，尤其是在低流速管道流量測量時(shí)，測量結果偏差較大，甚至沒(méi)有參考性。

    針對超聲波流量計存在的上述問(wèn)題，本文從硬件電路和信號處理方法兩方面進(jìn)行了研究。在硬件上對微弱的多普勒回波信號進(jìn)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(jìn)行模數轉換，將得到的數字序列進(jìn)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(xué)中，當聲源與觀(guān)察者相對于媒質(zhì)運動(dòng)，或兩者同時(shí)相對于媒質(zhì)運動(dòng)時(shí)，觀(guān)察者接收到的頻率與聲源發(fā)出的頻率不同。當聲源與觀(guān)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(guān)察者聽(tīng)到的頻率之間的頻率差稱(chēng)為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對運動(dòng)速度，這種現象稱(chēng)為多普勒效應。

    在利用超聲波多普勒法測量時(shí)，超聲波傳感器的激勵方式主要有兩種分別為：?jiǎn)屋d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(chēng)安裝在管道外側（如圖1所示），發(fā)射探頭產(chǎn)生的連續波超聲信號經(jīng)聲楔和管壁進(jìn)入運動(dòng)中的流體，并被隨流體一起運動(dòng)的固體懸浮顆粒、氣泡等可以散射超聲波信號的物質(zhì)散射而進(jìn)入接收探頭。通過(guò)測定流體中運動(dòng)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(fā)射頻率，f2為接受的超聲波信號的頻率，∆f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

        式（1）

    被測管道中的流體的流速為：

        式（2）    

    2 多普勒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(fā)射、接收和相關(guān)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(fā)射和接收探頭，利用頻率為640kHz的連續正弦波驅動(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，再經(jīng)過(guò)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(jìn)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(jìn)入A/D之前必須經(jīng)過(guò)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(lái)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)，還對系統的液晶顯示、數據存儲、數據通信等進(jìn)行了控制。    

圖2 系統硬件框圖    

    本文設計中發(fā)射及解調的基準信號都是通過(guò)DDS芯片產(chǎn)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(fā)射信號及解調參考信號頻率抖動(dòng)對于多普勒頻移信號的影響。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 )對超聲信號進(jìn)行衰減，所以要將DDS產(chǎn)生的正弦波通過(guò)超聲波信號發(fā)射電路進(jìn)行一定程度的幅度和功率放大。超聲波信號發(fā)射電路還有一項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)射信號在經(jīng)過(guò)傳感器和管道、介質(zhì)等的衰減之后，到達接收端是一個(gè)微弱信號，而此微弱信號中包含著(zhù)流體流動(dòng)的信息，所以回波接收電路的好壞對于流量計的性能有著(zhù)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(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(guò)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(jìn)行二次放大，同時(shí)將接收到的信號轉換成差分信號輸出，以滿(mǎn)足解調電路對信號幅度等的要求。

    在采用頻譜分析技術(shù)計算多普勒頻移時(shí)，如果直接對接收到的高頻信號進(jìn)行頻譜分析會(huì )存在兩方面的問(wèn)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)數足夠大，對存儲空間的要求較高且計算量大。所以本設計將回波信號先進(jìn)行解調，然后再進(jìn)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(lái)的結果不能準確表征管道內的流體流動(dòng)。將信號解調到0Hz上還有一個(gè)問(wèn)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(cháng)信號采集時(shí)間，從而降低了系統的動(dòng)態(tài)響應。因此，本設計采用了外差法進(jìn)行解調，它是通過(guò)將回波信號與一個(gè)非載波頻率信號（設計中采用2.52MHz的方波信號，經(jīng)過(guò)解調芯片內部的4分頻后為630kHz）進(jìn)行相干解調，將信號解調kHz，從而普 解調在差頻信號上，這樣得到了一個(gè)含流體流動(dòng)的流速信息和方向信息低頻信號。

    解調后的信號需要經(jīng)過(guò)調理后才能進(jìn)入DSP的ADC模塊。信號調理主要是對解調芯片的輸出信號進(jìn)行電流電壓轉換、低通濾波以及信號抬升，以滿(mǎn)足后續信號處理的要求。

    3 多普勒頻移信號處理方法

    在超聲波多普勒流量測量技術(shù)中，多普勒頻移信號處理方法直接影響著(zhù)測量系統的性能�，F有多普勒流量計產(chǎn)品中，對于頻移信號的處理方法大致分為整形計數、頻率轉電壓和頻譜分析三類(lèi)，總體來(lái)說(shuō)，前兩種方法在系統穩定性、測量準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的特征和動(dòng)態(tài)信息，頻譜分析法分為傳統的傅立葉頻譜分析法和現代譜估計法，現在市場(chǎng)上的超聲流量計產(chǎn)品基本上都是采用傅里葉頻譜分析法（FFT），此方法較適用于周期平穩信號，是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。在多普勒流量測量中，頻移信號是一個(gè)密集型頻譜信號，為準確計算出管道內流體流速（尤其在低流速情況下），就必須提高信號的頻譜分辨率。在采用FFT進(jìn)行頻譜分析時(shí)，由于頻率分辨率為∆f =fs/N，所以只能通過(guò)降低采樣速率和增加采樣點(diǎn)數來(lái)實(shí)現了，但這樣將會(huì )增大微處理器的計算量，影響系統的動(dòng)態(tài)響應。本文采用復調制頻譜細化方法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進(jìn)行處理，它是一種更為有效的動(dòng)態(tài)信號分析方法，ZOOM-FFT法不管從分辨率、計算量、實(shí)時(shí)性等方面都明顯優(yōu)于傳統傅里葉頻譜分析法。

    3.1 ZOOM-FFT頻譜細化算法

    復調制ZOOM-FFT算法能以指定的、足夠高的采樣頻率分析任意頻段內信號的頻譜結構。在序列變換點(diǎn)數相同的情況下，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，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)數的場(chǎng)合。

圖3 ZFFT原理流程圖    

    模擬信號x（t），經(jīng)過(guò)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為需要細化的中心頻率，細化倍數為D。復解析帶通濾波器的帶通寬度為fs/D，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條獨立譜線(xiàn)表示。具體算法的實(shí)現步驟如下：

    （1）復調制移頻；所謂復調制移頻就是對原始信號的頻域進(jìn)行向左或向右的搬移，根據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，

    

    其中，頻移后的X（K）=X₀（K+L₀），表明原離散信號的頻譜的第L₀譜線(xiàn)移到了零頻點(diǎn)位置，在本文中就表示將中心頻率10kHz的譜線(xiàn)移至零頻點(diǎn)位置，即在時(shí)域通過(guò)實(shí)現。    

    （2）低通濾波；復調制頻移之后，為了避免后續重采樣后的信號發(fā)生頻率混疊，通過(guò)低通濾波將包含中心頻率和多普勒頻移信號有用頻段信息保留下來(lái)，需要確定細化倍數D，并且設置低通濾波器的截止頻率為fs/2D，低通后的輸出用式Y（K）=X（K）H（K）表示，H（K）表示理想低通濾波器的頻率響應，在時(shí)域則通過(guò)下式表示：

    （k=0，1，....，N−1）    

    （3）頻率調整；為了將低通后信號的信息恢復到原信號，本文中首先從時(shí)域將信號如同（1）中的方法將信號搬移回去，即。    

    （4）重采樣；信號原始信號的采樣頻率為fs，前面已定義了細化倍數為D，對y1進(jìn)行每隔D點(diǎn)抽取1點(diǎn)的重采樣，之后采樣率變?yōu)閒's=fs/D，降低了D倍，采樣間隔為D∆t，這樣頻譜就細化了D倍。

    （5）復FFT；假設原始信號譜線(xiàn)為N條，對重采樣后的信號進(jìn)行復FFT，經(jīng)過(guò)重采樣后譜線(xiàn)數為N/D，分辨率為∆f'=fs/ND。    

    3.2 算法的仿真與驗證

    對于本系統中解調后得到的10kHz中頻上的信號，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)行細化倍數D=4，fft點(diǎn)數為4096的細化后的頻譜。

圖4 4096點(diǎn)的FFT

圖5 ZOOM-FF（細化倍數D=4）

    由于頻偏成分與中心頻率之間的頻率間隔為100HZ，通過(guò)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/N=12HZ，通過(guò)=調整細化倍數D=2^m（細化倍數為2的整數倍）來(lái)改變頻譜分辨率，細化4倍后頻譜分辨率可達到3HZ，通過(guò)對比可得出，ZOOM-FFT算法不但頻譜分辨率得到了提高，而且算法的穩定性好，能夠有效的提高信號檢測的準確性。在超聲多普勒流量計的研制中，局部頻譜細化的應用有利于后期譜峰搜索范圍的減小及計算流速的精確性。

    4 結束語(yǔ)    

    在研究了超聲波多普勒流量測量理論的基礎上，針對目前多普勒流量計存在的穩定性差、靈敏度低、測量誤差大等問(wèn)題，本文從硬件電路設計和信號處理方法兩方面改進(jìn)了多普勒流量計的性能。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)射電路及解調電路中的基準信號。DDS芯片輸出具有高精度、高穩定度的特點(diǎn)，它可以很好的解決由于溫度等變化引起的基準信號抖動(dòng)，降低了基準信號變化對于多普勒頻移信號的影響。

    （2）中頻解調技術(shù)。通過(guò)解調芯片將多普勒頻移信號解調在10kHz的頻帶上，提高了在頻譜分析點(diǎn)數一定的情況時(shí)系統的靈敏度。

    （3）在DSP芯片中使用復調制頻譜細化算法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進(jìn)行頻譜分析。ZOOM-FFT算法有效地提高多普勒頻移信號的頻率分辨率，并減小了DSP的計算量，解決了多普勒流量測量系統的測量精確度及低流速情況下的測量準確性。