超聲多普勒流量計的頻移信號檢測研究

單淑娟 何敬濤 楊 健 張 偉*

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000）

流量是工業(yè)流域過程控制的一個關(guān)鍵控制參數(shù)，迄今為止，可供工業(yè)上應(yīng)用的流量計儀表達60 種之多。但大多數(shù)原理的流量檢測儀表多為接觸式測量，實際應(yīng)用中一種非接觸型流量計成為必然趨勢，尤其是具有侵蝕性和腐蝕性的漿液檢測儀器，需要增加流量測量設(shè)備的總壽命，成本達到經(jīng)濟性的需求，這包括安裝和維護成本。本文所述的超聲波多普勒流量計具有安裝簡單、非接觸測量、無壓力損失、無流體擾動影響、適用于多種管徑、幾乎不需要維護、可在線維修等等優(yōu)勢。

1 超聲波多普勒流量測量原理

當(dāng)流體中含有懸浮粒子時，粒子將隨著流體一起運動，當(dāng)一束頻率為f 的連續(xù)超聲波沿著與流速成 θ角的方向傳播時，則粒子散射的超聲波頻率fs和f 之間將服從多普勒關(guān)系，在此理論基礎(chǔ)上，可通過計算頻差得到超聲波流量。如圖1 所示：

圖1 多普勒原理圖

發(fā)射頻率為f，接收到的頻率為fs，則可得出下式：

2 多普勒信號解調(diào)方法

所謂解調(diào)是從攜帶信息的已調(diào)信號中恢復(fù)信息的過程。通常是在信息傳輸或處理中，發(fā)送端用發(fā)送信號對載波進行調(diào)制，形成攜帶消息的信號。接收端恢復(fù)原始信號進行利用，這一過程就叫解調(diào)。這里所說的解調(diào)是在接收到的混合信號中提取出反應(yīng)流速信息的多普勒頻移的過程。

常用的解調(diào)方法有振幅檢波、鑒頻、鑒相及乘法器檢波等四種，換能器接收到的信號為多個固體顆粒或氣泡形成的多普勒頻移成份的疊加，雖然具有一定的周期性，但不會像簡諧振動波那樣具有對稱性，而有效信號幅度又不大，要想提高疊加了速度的信號的幅度，又不提高發(fā)射波及反射波的幅度，是很難做到的。振幅檢波的失真就無法避免，振幅檢波的解調(diào)方法不是最理想的選擇；多普勒流速信號通過頻移信號測得，似乎鑒頻器來解調(diào)是合乎情理的，但事實并非如此，鑒頻器工作在限幅狀態(tài)，限幅的非線性是的信號中含有的有效的多普勒頻移信號丟失，而且鑒頻效率低，靈敏度差都不可取。鑒相器由限幅、乘法、低通濾波組成，跟鑒頻器一樣具有信號失真，效率低靈敏度差等缺點，且輸出信號失真與參考信號相位有關(guān)，只有在90 度時失真最小。采用乘法器可以通過提高參考信號幅度來提高輸出信號的幅度，從而可以不失真的提取反應(yīng)流速的多普勒頻移信號。采用這種方法解調(diào)最為有利。

傳統(tǒng)超聲多普勒流量計用乘法器將信號解調(diào)到基頻，得到平均多普勒頻率與基頻信號差值得絕對值，無法得到方向信息，因此這種解調(diào)方法不能判斷流速方向。時域法、頻域法、相域法等方法主要在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)，檢測血液流速方向信息，但這些方法受成本及應(yīng)用環(huán)境限制，不適用于工業(yè)管道流量測量應(yīng)用。將信號解調(diào)到基頻上，低流速情況下，多普勒頻移信號只有幾Hz,甚至更小，從而增減了低流速的檢測難度，在這么低的頻率下低通濾波和集成電路的性能限制。而且信號易受電源及其他低頻噪聲的干擾，使分析出來的頻差不可靠，無法準確反應(yīng)流體流速信息。

采用將接收信號解調(diào)到中頻的方法，克服了統(tǒng)超聲多普勒流量解調(diào)到基頻時，存在的低流速測量困難，對檢測電路性能要求過高的缺點，從而可以保證低流速區(qū)域測量的準確性、穩(wěn)定性。中頻解調(diào)方法是采用回波信號S(t)與一個非載波頻率信號S1(t)進行乘法器混頻，則經(jīng)過低通濾波濾除高頻分量，得到中頻分量由各頻率分量。設(shè)計中載波信號為1MHz，S1(t)為0.985MHz，將信號解調(diào)到中頻信號為15kHz 上，當(dāng)平均頻差 Δf大于中頻信號fc時流速方向為正， Δf＜fc時流速方向為負， Δf=fc則流體靜止。解調(diào)后的信號經(jīng)過調(diào)理后被高精度ADC 模塊采集，進入后續(xù)信號處理。由于中頻解調(diào)存在一個15kHz 的中頻信號，而流速產(chǎn)生的頻移小于15kHz 范圍內(nèi)，就能夠可靠的實現(xiàn)流速方向判斷。

3 數(shù)據(jù)處理

ADC 采集的數(shù)據(jù)被送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于接收的回波信號來自流場中，發(fā)射接收換能器波束組成的一定區(qū)域內(nèi),該區(qū)域中粒子產(chǎn)生的回波信號,以不同的幅度和相位到達接收換能器，這些信號在接收換能器上迭加,由于這些粒子的速度不同,聲波的反射角度不同,反射后的多普勒頻移就不一樣,迭加的結(jié)果形成了多普勒頻譜峰，使得頻譜峰值位置的偏移及左右頻譜加寬，找出反應(yīng)取樣區(qū)域的多普勒頻譜中的頻譜的平均峰值位置,就能反映了管道中流體的流速, 通過數(shù)據(jù)處理找出頻譜的平均峰值位置就能計算流體的流速、流量信息（圖1）。

結(jié)束語

本文介紹了超聲多普勒流量計的頻移信號檢測方法，流量測量的數(shù)據(jù)處理流程，提出了中頻解調(diào)方法解決流速的方向判斷，及低流速測量難題的應(yīng)用方法。相對超聲多普勒流量基頻解調(diào)方法，該方法能提高低流速測量的響應(yīng)能力、穩(wěn)定性以及實時性。

圖1 信號處理流程圖