基于DSP的数字式超声波流量计的设计

v
=
( tAB - tBA ) sin 2α·tBA
D tAB
= k ( tAB - tBA ) ,
(5)
tBA tAB
式中 D 为管道直径 ;α为可以直接测量得到的参数 , 均为
常数 ,因而 k为常数 。所以 ,只要能够通过超声波流量计测
量出时间 tBA和 tAB ,便能得到管道中媒质的流速 v。 2 超声波流量计数字化实现
m / s; tBA , tAB分别为超声波顺流和逆流通过管径的时间 , s;α 为 A , B 2个传感器连线与管道流速之间的夹角 。
由式 ( 1) ,式 ( 2)得
v
=
( tAB - tBA ) 2 co sα· tBA
L tAB
.
(3)
设管道的直径为 D,则有
D = L sinα.
(4)
于是 ,有
46 传 感 器 技 术 第 24卷
图 1 超声波时差法流速测量示意图 F ig 1 Schema tic d iagram of ultra son ic flow ing speed m ea sure2
m en t w ith tim e2d ifference m ethod 由图 1可知 ,当传感器 B 发射 , A 接收时 ,声波顺流传
准确判断回波的峰值点非常重要 ,如果相差一个波峰 ,结果 出来的流量就会有很大的误差 。因此 ,门限电平的检测和 波峰的判断直接影响到流量计的精度和工作的可靠性及稳 定性 。
为进一步提高超声波的测量精度和工作的稳定性 ,本 文考虑对超声波的回波进行数字采样 ,通过对回波的数字 信号处理来准确提取上下回波的时差信息 。这样 ,检测的 精度与整个波形的分析有关 ,避免了对回波的几个关键电 平和波峰过分依赖 ,检测精度和稳定性得以稳步提高 。 1 时差法实现原理
0 引 言 超声波流量计是将超声波传感器夹装在被测管道的外
侧 ,利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息 来测量流体流量的 。它安装方便 ,不影响流体的流动状态 , 测量范围宽 、精度高 ,特别适用于大口径管道流量和有毒 、 腐蚀性 、易燃 、易爆及含有放射性物质等流量的测量 。超 声波液体流量计按测量原理分类有时差法 、多普勒效应 法 、相关法 、噪声法 、波束偏移法 。其中 ,时差法应用最为 普遍 。
超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速 的媒质里传播时 ,其传播时间 (速率 )会随着媒质流速的变 化而变化这一原理来实现媒质流速测量的 [2 ] 。具体实现 如下 :
在流体流过的管道两侧斜向安装 2个传感器 A 和 B , 使其轴线重合在一条斜线上 ,如图 1所示 。
收稿日期 : 2004 - 08 - 26 3 基金项目 :湖南省教育厅重点资助项目 (03A048) ;湘潭市科技局资助项目 (2004GY10)
时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量 ,适 用于测量的管径从几厘米到几十米 ,应用范围很宽 。国内 外目前都有时差法超声波流量计在工业中应用 ,从应用效 果看 ,精度和稳定性受安装环境和角度影响较大 。这主要 是因为目前时差法超声波流量计测量的 2个关键问题在 于对于回波波形的识别和时差的精确检测 [1 ] 。对于回波 的检测一般采取包络线检测和门限电平 2种方法 。而且 ,
CPU 控制电路则作为整个流量计系统的核心 , 控制和 协调各电路的运行 ,并提供系统显示和通信等功能 。
通信模块电路则提供流量计与其他系统的接口功能 。
2. 2 波形数据分析处理 数字超声波流量计的核心工作是对接收端所接收到的
数字信号进行数字信号处理 。 通过数字信号处理 ,需要解决 2个问题 : ( 1) 如何确定是否完成最后一个波形的采样 , 从而确
2. 1 数字超声波流量计系统组成
该超声波流量计系统由 CPU 控制电路 、DSP数字处理
电路 、数字采样前端输入电路 、脉冲信号发生电路 、时钟电
路以及通信接口电路等组成 ,如图 2。
图 2 数字超声波流量计系统组成示意图 F ig 2 Schema tic d iagram of system con stitution of
2. D ept of M ech & Elec, Shenzhen Polytechn ic, Shenzhen 518055, Ch ina)
Abstract: An effective method is used to avoid interferences and imp rove the accuracy and the stability for the measurement of digital ultrasonic flowmeter through the way of samp ling the signal wave and dealing w ith all the samp les w ith digital correlating algorithm. This method also makes the ultrasonic flowmeter free from the electric voltages test in some key points in the circuit system , and the de sign of the electric circuit becom e easier. The sim ulation and experim ent p rove that the digital ultrasonic flowm eter system is of high stability and p recision which can reach nearly 0. 1 %. The future of such a digital ultrasonic flowm eter w ill be excellent in the app lication. Key words: digital samp ling; digital signal analysis; correlation; time2difference method; ultrasonic flowmeter
播 ,速度快 、时间短 ,用公式表示为
[ c + vco sα] tBA =L .
(1)
当 A 发射而 B接收时 ,逆流传播 ,速度慢 、时间长 ,有
[ c - vco sα] tAB =L ,
(2)
式中 L 为两传感器间的传播距离 , m; c为超声波在静止流
体中的传播速度 , m / s; v为被测流体沿着管道方向的流速 ,
波形序列的数据可以被采样和分析 。现在要解决如何在这
些波形数据中提取参数 tBA 。 ( 1)提取原理
设发送端的单个波形函数为
x ( t) = sinωt .
(7)
在接收端 ,一般地可以将接收到的单个波形表示为
y ( t) = C sin (ωt + <)
式中 0≤< < 2π, C为正常数 ,即波形从发送端到接收端的
2005年 第 24卷 第 2期 传感器技术 (Journal of Transducer Technology)
45
设计与制造
基于 DSP的数字式超声波流量计的设计 3
易灵芝 1 , 王根平 2
(1. 湘潭大学 信息工程学院 ,湖南 湘潭 411105; 2. 深圳职业技术学院 机电系 ,广东 深圳 518055)
定停止采样 ,进而完成一个采样周期 ; ( 2) 从采样所得到的波形序列数据中 , 如何提取超声
波经过管道的时间 tBA 。 2. 2. 1 波形序列的判断
设波形序列中每个波形的周期为 T, 采样周期为 TS, 每 个波形周期采样 N 个数值点 (显然有 T =N ·TS ) ,并对该采 样数值序列标记为 : y ( i) , i = tS, tS + 1, …, tS +N - 1;其中 , tS 为一个采样周期的起始采样点标记时刻 。
D esign of d ig ita l ultra son ic flowm eter ba sed on D SP
YI L ing2zhi1 , WANG Gen2p ing2
( 1. Coll of Info Eng in, X iangtan Un iversity, X iangtan 411105, Ch ina;
一个恰当的正常数 ) ; 当发送端开始发送波形时 , 波形并不
会立即到达接收端 ,此时 ,仍有 Y ( T) < m; 当发送的波形到
达接收端后 ,有 y ( i) ≠0,并逐渐开始使得 Y ( T) ≥m。
一旦满足条件 Y ( T) ≥m , 可以判定接收端在采样接收
波形序列的第一个波形 。在确定接收到了波形序列的第一
衰减系数 。令
其中 ,假设 tS 为接收端接收到第一个波形信号的第一 个采样时间点 。将该时刻记作 tt0 ,并保存在内存中 ;
c. 分别令 tS = tS + j ( j = 1, …, N - 1) , 分别计算 F ( T) , 从而得到 N - 1个不同的 F ( Tj ) ( j = 1, …, N - 1) ;加上 b步 得到 F ( T0 ) ,共有 N 个不同的 F ( T) ;
摘 要 : 通过采用对超声波信号波形进行采样及对所采样的数据进行相关信号处理的数字实现方法 ,克 服了以往在设计超声波流量计时对几个关键电平的依赖 ,在降低电路设计难度的同时 ,大大增强了对干扰 的抑制能力 ,有效地提高了流量计的测量精度和稳定性 。实验证明 :该数字式超声波流量计的精度接近 0. 1 % ,性能稳定 ,有很好的实用前景 。 关键词 : 数字采样 ; 数字信号处理 ; 相关性 ; 时差法 ; 超声波流量计 中图分类号 : TP814 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 9787 (2005) 02 - 0045 - 03