流量測量與人們的生活息息相關。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時，人們就已經(jīng)開始關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、科學實驗、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測和保護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外，還有諸多優(yōu)點，例如對流速變化響應快，對流體的壓力、粘度、溫度、密度和導電率等因素不敏感，沒有零點漂移問題，測量條件不變時儀表重復性好，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的流通截面積即可求得容積流量。
利用多普勒效應測量的必要條件是：被測流體中必須有足夠的具有反射本領的顆粒，才能得到一定強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，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，當儀表結構及測量條件確定后，頻移與容積流量成正比，測量頻移可反映流體流量。
圖1 多普勒效應示意圖
1.3 工作頻率的確定
工作頻率是本文研究的流量計首先考慮的問題。流量計的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關系。在實際的流體中，粒子的性質(zhì)差別非常大。為了討論簡單，具有代表性，假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球，置于超聲波聲場中，超聲波以平面波方式傳播的，在考慮吸收與散射衰減條件下，聲波衰減與振幅、距離有如下關系：
總衰減量
式中，P0是發(fā)射面處的聲壓，Px是接受面處的聲壓，α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中，α主要由3種因素形成，即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波，所以主要研究散射衰減。
本文研究的流量計的工作頻率的選取應使λ>2πα，但也不要過大，以免只存在繞射。一般選λ/2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好，這時由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實際測量時，應根據(jù)平均粒徑來選擇工作頻率。關于粘滯衰減和摩擦衰減，實際這兩個量與流體性質(zhì)、粒子濃度及大小等均有關，他們也會影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小，即直接影響測量結果，不過，一般情況下處于次要地位。對于氣泡的分析與顆粒結果類似。工業(yè)測量中超聲波頻率的選擇在500 kHz~2.5MHz之間。本文研究的超聲波流量計的工作頻率選擇640kHz.
2 硬件設計
2.1 系統(tǒng)硬件總體設計
系統(tǒng)硬件主要分為3個模塊，分別是發(fā)射模塊，接收模塊。處理與控制模塊。圖2為系統(tǒng)硬件的結構框圖。
圖2 流量計硬件的結構框圖
2.2 各個模塊的設計
2.2.1 發(fā)射模塊
主要由DDS電路、功率放大電路與超聲波換能器組成。
DDS電路用來產(chǎn)生驅(qū)動超聲波換能器的正弦波信號。DDS,就是直接數(shù)字式合成器，使用DDS可以產(chǎn)生較高純度的源信號。克服了使用一般的正弦波產(chǎn)生的各種缺點。DDS一個顯著的特點就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當好的頻率和相位分辨率，能夠進行快速地信號交換。DDS在現(xiàn)代電子器件、通信技術、醫(yī)學成像、無線、PCS/PCN系統(tǒng)、雷達、衛(wèi)星通信等領域都得到廣泛應用。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。本文選用的DDS芯片是AD公司的COMS型DDS芯片AD98 50.該芯片最高支持125 MHz的時鐘頻率，32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或者串行方式裝入。+3.3 V或者+5 V供電，功耗極低。
AD9850與DSP的連接原理圖如圖3所示。最后AD9850的輸出有OUT1和OUT2,OUT1送入功率放大器用來驅(qū)動超聲波換能器，OUT2與帶通濾波器出來的信號一起送入混頻器進行混頻。
圖3 AD9850與DSP的連接原理圖
由于超聲波在流體中傳播，而流體中有較高的顆粒含量，造成超聲波的衰減較大，所以信號的功率放大是十分必要的。
本文所用的超聲波換能器采用收發(fā)一體結構，工作頻率為640 kHz.超聲波振子用圓形的PZT型材料制作，這樣使換能器具有較好的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，需要較小的功率。換能器的晶片應與管壁呈45°安裝，這樣的好處是使換能器有較大的透射能力和較高的信噪比。
2.2.2 接收模塊
接收模塊主要由超聲波換能器、信號放大電路、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器組成。
通常接收到的超聲波信號是非常小的，而一般需要采樣的信號的幅值是5 V,所以必須對它進行放大。帶通濾波器的作用是以640 kHz為中心頻率，保留640 kHz左右的頻率信號，盡可能減弱干擾信號。混頻器的作用是降低信號頻率，僅保留了發(fā)射的超聲波與接收的超聲波的頻率差，這樣不但降低了采集較高的頻率的成本，不必使用很快的A/D來進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，而且減小了采集到的數(shù)據(jù)的誤差。信號最后再通過低通濾波器，減弱混頻產(chǎn)生的高頻干擾。
2.2.3 處理與控制模塊
處理與控制模塊主要由DSP（TMS320F2812）、AVR（mega16）、液晶、鍵盤組成。
DSP在整個處理與控制模塊中起到了關鍵的作用。它是系統(tǒng)的核心，流速的計算也是它來進行的。DSP芯片的優(yōu)點就是具有強大的運算能力，能在較短的時間里完成復雜的算法。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。它片內(nèi)集成眾多資源：存儲資源Flash、RAM標準通信接口，如串行通信接口（SCI）、串行外設接口（SPI）、增強型eCAN總線接口，方便與外設之間進行通信。在TMS320F2812內(nèi)部還集成了一個12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊，最高采樣速率達12.5 Ms/s;TMS320F2812片上還包括事件管理器（EV）、定時器、看門狗以及大量的用戶可開發(fā)利用的GPIO口等資源。
從低通濾波器出來的信號進入到DSP芯片TMS320F2812的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320F2812的ADC的主要功能有；1）12位ADC采樣內(nèi)核包括兩個采樣保持電路；2）可設置同步采樣或順序采樣模式；3）模擬輸入電壓：0~3 V;4）ADC工作在25 MHz時最高轉(zhuǎn)換速率為ADCL K或12.5 MHz;5）16通道，多路輸出；6）排序器可以設置為兩個獨立的8位狀態(tài)排序器，也可以設置成一個16狀態(tài)排序器；7）16個結果寄存器用與存儲裝換結果；8）多觸發(fā)源啟動轉(zhuǎn)換；9）靈活的中斷控制。TMS320F2812內(nèi)部定時中斷子程序進行數(shù)據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812對采樣數(shù)據(jù)進行FIR數(shù)字濾波器濾波、FFT變換求其功率譜等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。
AVR通過SPI從DSP中讀取流速數(shù)據(jù)，再根據(jù)用鍵盤設置的參數(shù)進而求得流量，然后在液晶里顯示出來。
3 軟件設計
軟件設計主要采用C語言進行編寫，再設計DSP的FFT算法時，可以使用匯編語育和C語言進行混合編寫。DSP的編程工具為TI公司推出的CodeComposerStudio（CCS），該工具提供的實時分析和數(shù)據(jù)可視化功能把傳統(tǒng)的DSP調(diào)試技術向前提高了一大步，大大降低了DSP系統(tǒng)的開發(fā)難度。
軟件設計的總體思想是：DSP的作用主要是控制DDS芯片，然后發(fā)射超聲波，對采集回來的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算頻移進而計算流速。AVR的作用主要是從DSP讀出流速，然后計算流量。計算流量所需的管道流通截面積是可以改變的，可以根據(jù)實際情況用鍵盤進行變動。軟件設計的主程序流程圖如圖4所示。
圖4 軟件設計的主程序流程圖
4 仿真分析
圖5為FFT運算后頻譜的仿真圖，它是在MATLAB上進行仿真的，是一組個數(shù)為128的信號采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT算法處理得來的。這組數(shù)據(jù)的主頻率接近640 kHz,與原始信號是相符合的。
圖5 FFT的頻譜圖
5 結論
本文設計了以DSP為核心的趣聲波流量計，完成了整體的硬件設計和軟件設計。用DSP來進行流速計算，保證了計算的精度和速度；使用AVR來輔助DSP進行控制與處理，一方面分擔了DSP的工作，加快了數(shù)據(jù)處理速度；另一方面使流通截面積可以變動，使超聲波流量計變得更加靈活，用于各種不同管道時更容易設置。
由于水平的限制，本文的系統(tǒng)方案還需要完善和改進，特別是要在流體測量溫度對測量的影響和流體動力學兩個方面進行分析，這對于提高超聲波流量計的精度是十分重膏和必要的。另外，加入另一個頻率的超聲波收發(fā)處理模塊，組成雙頻的超聲波流量計，也能很好的提高精度。