基于DSP的超声波流量计的研究

的工 作 频 率 与 悬 浮 粒 子 的 尺 寸 有 重 要 关 系 。 在 实 际 的 流 体
如图 １ 示 ． 所 当多 普 勒 流 量 计 的 发 射 换 能 器 以一 定 的 角 度 ０向流 体 发 射 频 率 为 的 连 续 超 声 波 时 ， 体 中 的悬 浮 颗 流
粒 体 将 声 波 发 射 到 接 收 换 能 器 ， 为 悬 浮 颗 粒 随 着 流 体 在 流 因
动 ， 以 反 射 的 超声 波 将 产 生 多 普 勒 频 移 △ ｃ设 频移 后接 收 所 厂通截 面积 。 式 （ ） 多 普 勒 流 量 计 的理 论 方 程 式 。由此 式 可 知 ， 仪 ３为 当
个显 著 的特 点就 是 在 数 字 处理 器 的 控 制 下 能够 精 确 而快 速
地 处理 频 率 和 相位 。除 此之 外 ， Ｄ Ｄ Ｓ的 固有 特 性 还 包括 ： 当 相 好 的 频率 和相 位 分 辨 率 ， 够 进 行 快 速 地 信 号 交 换 。Ｄ Ｓ在 能 Ｄ 现 代 电 子 器 件 、 信 技 术 、 学 成 像 、 线 、 Ｃ ／Ｃ 系 统 、 通 医 无 Ｐ ＳＰ Ｎ 雷
ａ ｄ ａ ｐ ｉｄ ｉ ｎ ｅｄ ， ｎ ｌ ｙ ｄ ａｈ ｇ ｌ ． ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｅ ｉ ｎ ｅｆ ｗ ｔｒｔａ ａ ｅ ｎ ＤＳ ｎ ’ ｒｎ ｉ ｌ ｎ ｐ ｌ ｍａ ｙｆ ｌ ｓ ａ ｄ ｉ ｐ ａ ｅ ｕ ｅｒ ｅ Ｔ ｉ ａ ｅ ｓ ｓｔ ｏ ｍｅｅ ｔ ｓｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ ａ ｄ ｉ Ｓｐ ｉ ｃｐ ｅ ｅ ｎ ｉ ｔ ｏ ｄ ｇ ｈ ｌ ｈ ｉ ｔ
表 正 常工 作 。 因 此 ， 多普 勒 超 声 波 流 量 计 只 有 当被 测 流体 中
波 流 量 计 。 需 要 在 流 体 中安 装 测 量 元 件 ， 以 不 会 改 变 流 不 所
体 的 流 动 状 态 ， 产 生 附 加 阻 力 ， 表 的 安 装 及 检 修 均 可 不 不 仪 影响生产管线运行 ， 因而 是 一 种 理 想 的 节 能 型 流 量 计 。
进 行 了仿 真 ． 明 了方 案 的 可行 性 。 证
关键 词 ：多普 勒 效 应 ；流 量 计 ；ＤＳ Ｐ；Ｄ ＤＳ；ＡＶＲ 中 图分 类号 ：Ｔ ２ ２１ Ｐ １． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ７ — ２ ６ ２ １ ） ０ ０ ９ — ４ ６ ４ ６ ３ （０ １ １— ０ ９ ０
点 漂 移 问 题 。 量 条 件 不 变 时 仪 表 重 复 性 好 ， 格 比较 便 宜 测 价
等 。超 声 波 多 普 勒 流 量 计 适 用 于 测 量 两 相 流 的 场 合 ， 能 够 而 用 在 两 相 流 场 合 的 流 量计 是 比较 少 的 。本 文 采 用 多 普 勒 法 为 基 本 原 理 ， 研 究 基 于 Ｄ Ｐ的 超 声 波 流 量 计 。 来 Ｓ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｌ ａ ｏ ｉ ｏ ｍｅｅ ａ ｅ ａ ｖ ｎａ ｅ ｏ ｏ ｃ ｎ ａ ｔ ｔ ａ ｕ ｅ ｄ ｕ ｓｒ ｃ ：Ｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｆ ｗ ｔｒｈ ｓｔ ｄ ａ ｔｇ ｆｎ ｏ ｔｃ ｈ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｍｅ ｉ ｍ，Ｓ ｔ ａ ｅ ｎ ｃ ｎ ｉ ｕ ｕ ｌ ｔ ｄｅ ｒ ｌ ｈ ｗｉ Ｏ ｉ ｈ ｓｂ ｅ ｏ ｔ ｏ ｓ ｓｕ ｉ ｄ ｎ ｙ
超 声 波 在 流 动 的 流 体 中 传 播 时 ，就 载 上 流 体 流 速 的 信
息 。因 此 ， 过 接 收 到 的 超 声 波 就 可 以 检 测 出 流 体 的 流 速 ， 通 从 而 换 算 成流 量 ， 就 是 超 声 波 流 量 计 的 测 量 原 理 。使 用 超 声 这
足够 的 具 有 反 射 本 领 的 颗 粒 ， 能 得 到 一 定 强 度 的信 号使 仪 才
ｃ恒定 时 ， 普 勒 频 移 ａ 多 ｆｔ 比 于 流速 ， 测 量 可 反 映 流 即
速 。流速 与 △ ，的关系 由式（ ） １可得
２ ． 各 个 模 块 的设 计 ２ ２ ． 发 射模 块 ．１ ２
南
Ｑ ＝
ａ ｆ
（ ２ ）
（） ３
主 要 由 Ｄ Ｓ电路 、 率放 大 电路 与超 声 波 换 能器 组 成 。 Ｄ 功
Ｆｉ ． Ｓ ｅ ｃ ｐ ｏ ｐ ｌ ｒｅ ｅ ｔ ｇ１ ｋ ｔｈ ｍａ ｆＤｏ ｐ ｅ ｆ ｃ
崮— ＳＦ２塑 ‘ 邈 Ｈ＿ 厂ＴＩ２８ 卣 ｌ ０１ ＿ Ｔ ２ｌ —Ｍ Ｈ ３ 广 薹 ’
图 ２ 超声 波流 量 计 系 统 硬 件框 图
Ｆｇ ２ Ｂｌｃ ｉｇａ ｏ ｌ ａｏ ｉ ｏ ｍｅｅ ’ ｙ ｔｍ ａｄ ｒ ｉ． ｏ ｋ ｄａ ｒｍ ｆｕｔ ｓ ｎｃｆ ｗ ｔｒ Ｓｓｓｅ ｈ ｒｗａｅ ｒ ｌ
ｉ Ｄｏ ｐ ｅ ｆ ｃ ，ａ ｄ ｃ ｍｐ ｅｅ ｅ ｈ ｒ ｗａ ｅ ａ ｄ ｓ ｆ ａ ｅ ｄ ｓ ｎ Ｆ ｎ ｌ ， ｈ ｓ ｐ ｐ ｒｓｍｕ ａ ｅ Ｉ ｄｇｔ ｌ ｌ ｒ ａ ｄ Ｆ ｒ ｓ ｐ ｌｒｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ｌｔ ｓｔ ａ ｄ ｒ ｎ ｏｔ ｒ ｅ ｉ ． ｉ ａｌ ｔ ｉ ａ ｅ ｉ ｌｔ ｓＦ Ｒ ｉｉ ｔ ｎ Ｆ ｈ ｗ ｇ ｙ ａｆ ｅ ｉ ａｇ ｒｔｍ， ｎ ｒ ｖ ｄ ｔｅｆ ａ ｉ ｉ ｔ ｆ ｅｐ ｏ ｒ ｍ． ｌｏ ｉ ｈ ａ ｄ ｉ ｉ ｐ ｏ ｅ ｓｂ ｌ ｙｏ ｒｇ ａ ｔｓ ｈ ｅ ｉ ｈ ｔ
换 能 器 收 到 的 超 声 波 频 率 为 ，超 声 波在 被 测 流 体 中 的传 播 速 度 （ 声 速 度 ） Ｃ 颗粒 反 射 体 以 与 被 测 流 体 相 同 的流 速 传 为 ，
运 动 ， 、 两 超 声 波 束 与 流 体 相 间 的 夹 角 均 为 ０ 则 根 据 收 发 ，
１２ 流 量 方 程 ．
法 、 普勒法 、 束偏 移法 、 多 波 噪声 法及 相 关 法 等 不 同类 型 的 超 声 波 流 量 计 。其 中 ， 声 波 多 普 勒 流 量 计 除 具 有 一 般 超 声 波 超 仪 器 的特 点 外 ， 有 诸 多 优 点 ， 如 对 流 速 变 化 响应 快 ， 流 还 例 对 体 的 压 力 、 度 、 度 、 度 和 导 电 率 等 因素 不 敏 感 ， 有 零 粘 温 密 没
由式 （ ） 知 ， 普 勒 频 移 △ 与 发 射 频 率 及 流 体 流 速 １可 多 厂 成 正 比 ， 介 质 的传 声 速 度 ｃ成 反 比。 发 射 频 率 与 当
．
与声 速
作 者 简 介 ： 文 广 （９ ３ ） 男 ， 西 太 原 人 ， 士 ， 级 工 程 师 。 研 究 方 向 ： 企 自 动 化 与 传 感 器 。 杜 １６ 一 ， 山 硕 高 工
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ ｙ ｄ ：Ｄｏ ｐｌｒｅ ｅ ｔ；ｆｏ ｐ ｅ ｆ ｃ ｌ ｗｍｅｅ ｔｒ；ＤＳＰ；ＤＤＳ；ＡＶＲ
流 量 测 量 与 人 们 的 生 活 息 息 相 关 。早 在 刚种 植 农 产 品
时 ， 们 就 已经 开 始 关 注灌 溉 水 的流 量 测 量 了 。现在 ， 量 测 人 流
（ 原 理 工 大 学 测控 技 术研 究 所 ，山 西 太 原 ０ ０ ２ 太 ３ ０ ４） 摘 要 ：超 声 波 流 量 计 因为 具 有 不接 触被 测介 质 等优 点 ， 已经 被 不 断 研 究 并 应 用在 许 多 领域 ． 挥 了 巨大 的 作 用 。设计 发
了基 于 Ｄ Ｐ 以 多普 勒 效应 为原 理 的 超 声 波流 量 计 ， 成 了硬件 设 计 和软 件 设 计 。 后 对 ＦＲ 数 字 滤 波 器和 Ｆ ｒ算 法 Ｓ。 完 最 Ｉ Ｆ
－
９－ ９
《 电子设 计工程 ）０ １ 第 ｌ ２１年 ０期
２ 硬 件 设 计
２１ 系 统硬 件 总体 设 计 ．
系统 硬 件 主要 分 为 ３个模 块 ．分 别是 发 射 模 块 ，接 收模 块 ， 理与 控 制 模块 。 图 ２为 系统 硬 件 的 结 构框 图 。 处
图 １ 多普 勒 效 应 示 意 图
第 １ ９卷 第 ｌ ０期
Ｖｏ ．９ １１ Ｎｏ １ ．０
电 子 设 计 工 程
Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ ｅ ｔｏ ｉ ｓｇ ｇｎｅ ｒｎ
２１ ０ １年 ５月
Ｍ ａ ０１１ ｖ２
基于 Ｄ Ｐ的超 声 波 流量计 的研 究 Ｓ
杜 文 广 ．翟 金 龙
容积 流量 ｑ与多普勒频移 △ 的关系式为 厂
Ｄ Ｓ电 路 用 来 产 生 驱 动 超 声 波 换 能 器 的 正 弦 波 信 号 。 Ｄ
Ｄ Ｓ 就 是 直 接 数 字 式 合 成 器 ， 用 Ｄ Ｓ可 以 产 生 较 高纯 度 Ｄ， 使 Ｄ 的 源 信号 ，克 服 了使用 一般 的正 弦波 产 生 的 各 种缺 点 。Ｄ Ｓ Ｄ
流动 的 流 体 中 ，被 随 流 体 一 起 运 动 的颗 粒 反 射 到 接 收 器 。 接 收 到 的 反 射 声 波 与 发 射 声 波 之 间产 生 频 率 差 。 个 频 率差 就 这 是 多 普 勒 频 移 ， 正 比 于 流 体 流 速 ， 此 测 量 频 差 即 可 求 得 它 因
达 、 星 通 信 等 领 域 都 得 到 广 泛 应 用 。 Ｄ Ｓ的基 本 原 理是 利 卫 Ｄ
表 结 构 及 测 量 条 件 确 定 后 ， 移 与 容 积 流 量 成 正 比 ， 量 频 频 测
移 可 反 映 流 体 流量 【 ｌ ｌ 。
１３ 工 作 频 率 的确 定 嘲 ．
工 作 频率 是 本 文 研 究 的 流 量计 首 先 考 虑 的 问题 。流量 计
量 在 工 业 生 产 、 程 控 制 、 学 实 验 、 能 、 境 监 测 和 保 护 过 科 节 环 中都 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。
流 速 。 测 得 的平 均 流速 乘 以 相 应 的 流 通 截 面 积 即可 求得 容 将