管道液体流速检测

管道液体流速的检测系统的设计

概述：

在管道泄漏检测以及其他许多石油工业领域中，管道中液体流速的测定是十分重要的。而对于流体中含有固体颗粒和气泡的多相流，将优先采用超声多普勒流量法测量流体流量。其测量原理即为超声波的多普勒效应，由入射波和反射波的频差来进行流速的测定。入射超声波的频率是固定的．这就需要对反射回来的声波频率进行精确的测量。反射声波淹没在大量的噪声之中，为此，需要引入一种非常好的测频方法。针对传统测频方法的一些局限性，本文引人了基于混沌振子的测频方法，对反射波频率进行有效的提取。然后通过控制器局域网(CAN)对采集的信号进行处理，形成电子控制网络，组成管道液体流速的检测系统。

一、控制原理：

1.1多普勒法测量原理

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。

图3多普勒超声波流量计测流原理图

c+cosθ

当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为：

因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为：

以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则

式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。

平均多普勒频移Δ-f可以表示为：

式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；

ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；

Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。

由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。

图4多普勒信息窗示意图

1.2CAN控制器的使用

我们采用的是Philips87C591作为系统的微处理器。P87C591

是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功的包括了Philips半导体SJAt000 CAN控制器的PeliCAN功能。并且还带有lO位A／D转换器，并且自带16K程序存储器，将变送器的声波频率参数存储到RoM中。接收元件将声波频率信号转换成电压信号经过放大传给A／D转换器，微处理器对数据进行处理后通过通讯电路(CAN总线控制器以及收发器)发送到总线上传给上位机或者总线上的其他智能节点。

二、方案选择

2.1超声波发射模块

超声波发射电路采用正弦波振荡电路产生1MHz的正弦波，用以驱动超声波发射换能器。正弦波振荡电路通过自激产生振荡，它由放大电路和正反馈网络两部分组成的，为了得到单一频率的正弦波，并且使振荡电路稳定工作，电路中还应包含选频网络和稳幅环节，选频网络用以从很宽的频率中选择单一频率的信号送到放大器输入端，而将其他频率的信号进行衰减，稳幅环节用以稳定振荡的幅度，抑制振荡中产生的谐波。石英晶体振荡电路随时间和温度的漂移要小很多，具有很高的稳定性和品质因数、很小的频率误差，因此采用石英晶体振荡电路产生所需正弦波。电路如下：

2.2选频放大电路

超声波发射电路产生的1MHz的正弦波信号经由发射换能器入射到流体中，被流体中的颗粒散射，接收换能器接收到的信号一部分是颗粒散射的含有流速信息的信号，一部分是直

接耦合到接收换能器上的发射信号及噪声信号。含有流速信息的信号一般很微弱,在毫伏级，不能满足后续解调电路对输入信号的要求，而直接耦合到接收换能器上的发射信号及噪声信号也应该滤除掉，因此，选用选频放大器，通过设置中心频率及带宽保留并且放大有用信号，滤除杂波。

如图2.1所示为回波选频放大电路，电感L1与C31电容组成LC并联谐振回路，作为三极管的集电极负载。只有当谐振频率与电路工作频率相等时，并联谐振回路的阻抗才呈现出最大值，并且为纯阻性，此时输出电压幅度最大，而在其他频率时集电极等效阻抗很小，输

出电压幅值也很小，从而起到选频作用。

在此处键入公式。

图2.1 选频放大电路

回路谐振频率由LC 选频放大器的谐振频率决定，即

式（2－1）

00/1/Q L R CR ωω== 式（2－2）

其中，Q 为回路的品质因数，R 为电感的电阻。

当Q >>1时，

0f =

式（2－3） 回路在谐振时的等效电阻：

0022Q R f QL f C ππ==

式（2－4） 带宽：

0f B Q

= 式（2－5） 回波信号主要是由直接耦合到接收换能器的发射信号和经颗粒散射之后的信号组成，散射信号的频率等于发射信号频率加上或减去多普勒频移量，由于多普勒频移小于15KHz ，因此选取0f 为1MHz ，带宽100 KHz ，此时品质因数Q 为10。根据式(2－2)，适当选取电感与电容，可满足电路的选频要求。

2.3解调电路

经选频放大后的回波信号成分主要是本振信号和含有流速信息的回波信号，为了提取多普勒频移，考虑利用乘法器的混频原理来解调，即两个不同的频率信号经过乘法器混频以后产生新的频率信号。

设基准信号为

10cos u A t ω= 式（2－6） 调制信号为

21cos u B t ω= 式（2－7）

0f =