超声波流量计

1.引言1.引言19280.Rutten10mS，这在当时是很难做到的。1955年，应MAXSON50年未占有牢固的地位。2070(PLL)的出现与应流量;多普勒法利用不纯净流体中散射体的多普勒频移来测量流量，特别适用于不纯高的场合使用。80年代中后期，单片机技术的应用使超声流量计向高性能、智能化的方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能设计出友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操2课题研究背景2课题研究背景超声波流量计的现状10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，基于新型探力是显而易见的。超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流.体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。超声波流量计一般.由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其发射并穿过被测流体，接收换能器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号，供显示和积算，这样就实现了流量的检测显示。ControlotronPloysonics公司为代表的产品较多的采用数FFTDSP为核心的数PloysonicsDDF3088Controlotron480型超声流量计，这样使得产品的实用范围更广。但由于国外的产品的价格比较高（5～10万元左右，所以限制了在国内的大量使用。目前国内的厂家生产的超声波流量计虽然价格比较便宜，但总体性能差，主要用于测量比较容易的大管径管道中流体的测量。他们多采用的方法是时差法，以单片机为系统核心进行信号处理。但由于受单片机速度的限制，所以只能进行一些比较简单ZLC系列流量计是国内率先采用多脉冲发射和接收宽带技术，并带有微机控制的新型超声波时差式流量计。近几年DSPDSP为核心的数字信号处理DSP为处理核心的超声波流量计来广FFT、数字滤波、插值运算、相关运算，从而来提高系统国民经济服务。超声波流量计的发展趋势ARCAllen的总体拥有成本等，这一情况将逐渐改观。”在石油和天然气领域快速普及最近几年超声波流量计市场的一切增长，几乎都AGA9200320055%APIOIML标准在行业内得到推广，超声波流量计才能在这个领域普及。超声波流量计具有高精确度和低总体拥有成本 不论是从技术上还是从经济上看，超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。通过多光束和数字信号处理，超声测量仪可以实现很高的测量精确度。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的元件因此几乎不需要维修。而且，它也不会阻挡或者减慢管道中气体或者液体的流动。能够准确地测量液态石油气产品的宽频，而不需像机械型技术那样得到验证。高灵度使其可以检测到管道中的任何泄漏并可以测量和补充各种会影响监护运输领域中的测量准确度的变量。亚洲和中东市场增长最大亚洲和中东地区超声波流量计的增长将会是最大的。中国和印度将会在基础设施和新工厂上大举投资。中国能源缺乏为了寻找推动经济快速发展的能源，将会对其石油和天然气基础设施进行改造，并立连接俄罗斯及其它地区供油商的管道而由于中东地区在石油和天然气生产中的地位，这一地区将仍然是超声波流量计供应商的沃土。这一地区亦将在数个大型发电海水淡化厂上进行投资。相比之下，北美市场的增长则显得相对平淡，但由于这一区在石油和天然气基础设施及工业自动化上的投资，北美市场将仍然具有可观的增长。超声波流量计的市场前景59.6%的复合年增长率(CAGR)增长。ARCAdvisoryGroup20052.7520104.34亿美元。ARCAllen的总体拥有成本等，这一情况将逐渐改观。”由于这种产品在石油和天然气领域销量的增加而带来的,超声波流量计在这一领域的AGA920032005年间，监护运输量增加了三倍多，而这一领域占5%APIOIML标准在行业内得到推广，超声波流量计才能在这个领域普及。超声波流量计具有高精确度和低总体拥有成本，不论是从技术上还是从经济上看，超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实现很高的测量精确度。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的元件，因此几乎不需要维修。而且，它也不会阻挡或者减慢管道中气体或者液体的流动。它能够准确地测量液态石油气产品的宽频，而不需像机械型技术那样得到验证。高灵敏度使其可以检测到管道中的任何泄漏，并可以测量和补充各种会影响监护运输领域中的测量准确度的变量。亚洲和中东市场增长最大，亚洲和中东地区超声波流量计的增长将会是最大的。中国和印度将会在基础设施和新工厂上大举投资。中国能源缺乏，为了寻找推动经济快速发展的能源，将会对其石油和天然气基础设施进行改造，并建立连接俄罗斯及其它地区供油商的管道。而由于中东地区在石油和天然气生产中的地位，这一地区将仍然是超声波流量计供应商的沃土。这一地区亦将在数个大型发电及海水淡化厂上进行投资。相比之下，北美市场的增长则显得相对平淡，但由于这一地区在石油和天然气基础设施及工业自动化上的投资，北美市场将仍然具有可观的增长。超声波流量计设计方案及分析超声流量计的分类超声波技术应用于流量测量主要依据是：当超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法，从而构成了不同原理的超声流量计，其大致可分为传播速度差法（包括：时差法、相位差法、频差法，多普勒法，相关法等等。传播速度差法101%左右的误差，并且声速的温度系数不是常数;另外，当流体的组成或密度变化时，也将引起声速的变化，从而影响测量精度。其发展方向是提高计时精度和设法降低温度但受温度的影响依然很大。多普勒法多普勒法利用的是声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体的超声波多普勒频移来确定流体的流量。这一技术已在医疗仪器上得到了重要的应用，多普勒流速计现在已成非观血的、无侵袭的临床测量血流的重要手段。在工业计量领域中，多普勒流量计可以用来测量含泥沙的河水、污水等含有较大颗粒的流体流量。但是，多普勒流量计多数情况下测量精度不高。其工作原理是流体管道内任何流动的液体都存在不连续的扰动，诸类不连续的扰动可以是悬浮的固体颗粒，气泡或由于流体扰动而引起的界面，这种扰动使反射的超声波产生频移f，频移f测量频移f，即可测量管道内流速（或流量。DS多普勒流量计就具备这种特点。相关法相关法利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流速测量问题转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔的测量问题，运用相关测量技术可实现流体流速的在线测量。根据测量原理，流速的测量精度主要取决于渡越时间和两个平行的超声波波束之间距离的测量精度。由于是测量两个固定波束之间的渡越时间，因此，测量结果不受流体中声速变化和流体性质的影响，但流体的流场分布影响流速的测量精度。由于超声波互相关流量计的这些特点，其应用前景非常看好，一些发达国家在这一领域加大投资，尤其是德国和英国，在此领域进行了较全面的研究工作，其中德国科学研究院1998年批准资助两个大学8个研究所在此领域开展研究工作。时差法超声波流量计设计时差法测量原理及主要特点1，2相对于管道轴线的安装角是DL，流体流动方向如图所示：图1 时差法测量流量原理图当流体以速度u流动时，超声波的实际传播速度c是声速c0度分量ucos的叠加，即：

和流体在声道方向上的速cc0

ucos超声波信号在流体中顺流和逆流的传播时间分别为：t顺=t2→1=c0t逆=t1→2=c0

L=ucos sin=0=L=ucos sin0

DucosDucos

（4.1）（4.2）式中DLc0的传播速度，故：△t=t顺—t逆= Ducos

为超声波在静止介质中（4.3）sin

c2u2cos20一般情况下，声波在液体中的传播速度co

在1000m/s以上，而多数工业系统中的流速远小于声速，即u2c2，所以时间差可以近似简化为：0△t=t顺—t逆=2Ducossinc20

（4.4）即：sinc2t0u02D

cos

（4.5）体积流量表达式：D2c2sint0QAu0

2Dcos

（4.6）式中：A为管道的横截面积，u为流体在管道内的流动速度。由上式可以看出，由于一次装置内径D，换能器与轴线夹角可以通过实际情况t进而由式子（4.6）求得流体的体积流量[15]。时差法测量流量具有以下几个特点：度较高的特点。满足工厂工艺生产用水不断流的要求，安装极为方便。在测量时，管道中没有节流器件，流体不存在压力损失，非常有利于节约能源。常用的原始数据，不需要经过人工的计算，省时省力。基于相关分析的时延估计方法是一种提出较早的时延估计方法,该算法原理简单、容易理解、研究充分,具有较高的工程应用价值.数字信号处理器DSP[2]DSP时延估计方法。为了提高测量低速液体的精度及抗干扰能力，可以结合FFT集到的信号进行处理再用相关法处理[18]。DSPDSP核心。为了进行复杂的数字信号处理，即需要的是一组数据，所以在发射电路方面就不能发射单脉冲，而是采用多脉冲，或者调制波方案。同样对接收信号的检测就不能通过单点的判断，而是首先通过ADC将信号进行采样，再利用数字信号处理的一些方法将流速计算出[6]。接收到的两组信号在时间域上只是一个简单的时间延迟ttv。出tv。MATLAB仿真TOF2631、周期为127PRBSPRBS调制信号及其频谱。载波频率为1MHz，每PRBS80.5ms自相关函数0.016ms[19]30.05msLFM信号、自相关函数及0.83MHz1.2MHz1MHz4是与图3相对应的DRLFM20Msps3(b)4(b)可以看出，相关函数的主瓣很窄，第一副瓣高度约为主瓣高度的46%，而其宽度却比PRBSPRBSLFMPRBSLFMDRLFM是连续渐变信号，起振与拖尾现象[16]的影响不大。11(a)0x020000.10.20.30.40.51000(b)(xr0-0.05100.05(c)0x-100.10.2t(ms)0.30.40.5400(d)(X200|0-1500-1000 -5000 500f(KHz)1000 1500 2000图2单位PRBS的自相关函数及其调制信号频,PRBS周期为127载波频率是1MHz (a)63位PRBS；(b)PRBS自相关函数；(c)PRBS调制信号；(d)PRBS调制信号的频谱110(a)x-10 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05t(ms)200(b)r -200-0.05x00t(ms)0.05)50(c)|0-6-4-20f246图3LFM的自相关函数及其频谱(a)LFM信号；(b)自相关函数；(c)LFM的Fourier变换幅度110x-100.010.020.030.040.05t(ms)(xrx5000-500-0.05(b)0t0.05)(c)50|0-6-4-20f(MHz)246图4DRLFM的自相关函数及其Fourier变换模时差算法的具体实现系统的硬件方案发射电路控制切换发射电路控制切换切换放大电路 ADCCPLD集传感器A 传感器B显示DSP5416STC89C52按键控制相关运算图5 系统硬件方案前面已经简单地地DSP下面将详细的介绍各部分的硬件组成和功能。切换单元电路设计这一部分的作用是用来切换两个探头和发射、接收电路之间的连接的。作为对模拟信号的切换，可以有以下三个方案可以选择。用继电器进行切换。当信号接通后，由于继电器实际上就是导线，所以不存在100万次。CMOS模拟开关不行，CMOS1MHz1MHz的超声波电路。在实用的时候发现，由于切换的双方是接收到的微弱的超声信号和用于发射的高压信弃了此方案。采用分立元器件，利用二极管的开关特性来控制开关。这种方法能够有很高的开关频率，能承受高压，但作者在实验的过程中发现信号失真太大，估计跟发射信号12VCD4504正好能够提供。放大电路设计系统中接收到的超声波信号有以下特点：从超声探头接收到的信号的幅值的范围大概为而一般ADC需采样的信号的最大幅值为 5V，所以得要放大54dB～94dB，即放大电路的增益为74dB±20dB；2.5MHz的是相关算法，所以对放大电路的抗干扰要求不高；MAX435/436AD603为核心的可程控增益放大电路。考虑ADC603±20dB的变换。这样MAX435MAX436两级得要74dB37dB0.1mv～10mv之间，则需要通过手工调节可变电阻来实现。4.5的要求，即使实际中不满足，可以通过调节RSETRL来达到目的。所以利用MAX435/436行的。MAX435/4361MHz的窄带信号进行谐振放大作用。图6 放大电路原理图采样电路设计考虑到采样频率等因素，采用TLC876(ADC器件,采样频率fs=20Msps/12bit)的高速信号采集电路，用于对超声信号的回波进行采集。本文设计的采样频率为1MHz，综合考虑整个系统的成本和精度要求，作出的设计图如下：图7 TLC876的应用DSP系统设计DSP541616位数据存储器总线和40（ALU）4017-17位并行乘法器耦合到一个40/4016位最大外部寻址程序空间。128K16RAM88K16ChipDual/8K16ChipsingleRAM16K16ROM图8 DSP最小系统原理图可编程逻辑器件方案FPGA（现场可编程门阵列）与CPLD（复杂可编程逻辑器件）都是可编程逻辑器件，作者根据现有条件选用了CPLD。CPLD在系统中的作用：DSPDSP、单片机系统的完整性；DACDACDSPMCU的DAC控制；为整个系统设计一个全局控制器，这样使整个系统能够协调的运行，同时使得DSP能专一处理流速的计算。9驱动信号产生、信号采集部分原理图超声流量计软件设计的开发CCSCCSTIDSPCCS中，源代码的书写有一定的格式。每一行代码分为三个区：标号区、指令区和注释区。标号区必须顶格写，主要是定义变量、常量、程序标签名称。指令区位于标号区之后，以空格或TAB隔开。如果没有标号，也必须在指令前加上空格或TAB，不能顶格。注释区在标号区之后，以分好开始。注释区前面可以没有标号区或指令区。另外还有专门的注释行，以*打头，必须顶格开始。一般区分大小写，除非加编译参数忽略大小写。DSP链接配置文件确定了程序链接成最终可执行代码时的选项，其中有很多条目，实现不同方面的功能，其中最常用的是，存储器的分配，指定程序入口。打开CCS并建立一个新的空工程，输入源代码文件以及链接配置文件，并将这些文件加入到工程中。选择ProjectOptions来对工程进行设置。输入程序后，选择ProjectBuild来编译生成的工程；修改程序中的错误，直到编译成功。编译成功后，我们可以选择Debugrun运行程序，观察运行的结果。DSP软件的相关器设计从相关法测量原理可知，相关法测量流量的精度取决于相关器测量时延的精度，应用相关法测量流速的关键问题之一是研制或配备时延分辨率高、实时性强、成本低的数字式相关仪。xy可以分别看作是来自个态历经的平稳随机过程xt和yt的两个样本函数，则它们的互相关函数为:R=lim1yt)xt)dtxy xT0xyRxy

应在无限大xy可以看出，在数字式相关器中为完成延时值为:NN次加法运算。如果希望得到M1个不同延时值下的互相关函数Rxy

，就需完成M1N次加法和M1N次乘法计算。因此，为了增加相关函数测量的实时性，对数字相关器中乘法和加法运算速度的要求是相当高的。直接幅值相关法xy的互相关函数Rxy

的表达式为：R=lim1yt)xt)dtxy xT0其中，T为测量时间，为时延值。计算互相关函数就是在不同时延值下比较这两个信号的波形相似程度，得到互相关函数Rxy

的图形，该图形的峰值位置所对应的时间位移就是随机信号xn在两个传感器之间的距中的传递时间，即渡越时间。0考虑到进行相关运算和处理的都是数字电路，所以当算法采用直接幅值相关法，应将上面的公式离散化，得：NRktNxy

1N1xityikti0其中，k0,1,2, ,m，且mN，t是采样间隔，其值为采样时间除以采样点数。使用直接幅值相关法，完成一次相关运算的计算量是非常大的，可以用下述方来估计。以数字相关器为例，为了完成某一固定下的相关函数估计值Rxy

()的计算，NN(M1)个不同延时值下的互相关函数R(M1)N(M1)N次加法计算。这对硬件的要求非xy常得高，如果要保证测量精度，则要牺牲相关测量的实时性。故放弃。傅里叶变换法一般采用极性相关，为了减小量化误差，一般需要较长的积分时间，而且在量化的同DSPFFT，在频域内构造相关器，以此为基础构造实时流量测量系统。DFT机的发展，为数字化分析开辟了广阔的前景，快速傅里叶变换（FFT）已成为数字信号处理和线性系统分析的有力工具。XYjwxn、ynRxy

Rxy

()xy的互相关函数，根据时域相关定理，则有:RXjwjwDSPFFT算法，而两个频谱的相乘只不过是一次多相式DSP采集的数据采集的数据调用FFT变换子程序对应点相乘调用IFFT变换子程序寻找峰值返回图10相关算法流程图用FFT法进行相关运算步骤如下：用补零值点的方法避免混叠失真，使xnyn具有相同的列长N。NNN1

1N2r（r为正整数，xnxn,0n110,NnN11ynyn,0nN21NFFT

0,N2

nN1求乘积ZIFFT

XkFFTxnYkFFTynZ(k)X(k)Y(k)Z(n)IFFT(Z(k))

1N1X(k)Y(k)Wkn，N Nk0即Zn可以利用求Zk的IFFT后，取共轭再乘以1得到。Nxnyn是实序列，所以求得Zn为Z(n)

1N1X(k)Y(k)Wkn，N Nk0O(N2FFT算法程序的计算复杂度为O(3Nlog2 2

NN，将大大地提高运算的速度。最后仿真结果最大值在n=51,与设计的n=50相差无几，仿真成功。图11FFT变换仿真图 图12相关运算仿真图附件（程序）/*************************************************************************DSP编程作者：徐宋静 时间：2011.3.10***********************************************************************/#include"stdio.h"#include"math.h"unsignedioportport8003; /*ADvoidkfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il)intn,k,l,il;doublepr[],pi[],fr[],fi[];{intit,m,is,i,j,nv,l0;doublep,q,s,vr,vi,poddr,poddi;for(it=0;it<=n-1;it++){m=it;is=0;for(i=0;i<=k-1;i++){j=m/2;is=2*is+(m-2*j);m=j;}fr[it]=pr[is];fi[it]=pi[is];}pr[0]=1.0;pi[0]=0.0;p=6.283185306/(1.0*n);pr[1]=cos(p);pi[1]=-sin(p);if(l!=0)pi[1]=-pi[1];for(i=2;i<=n-1;{p=pr[i-1]*pr[1];q=pi[i-1]*pi[1];s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);pr[i]=p-q;pi[i]=s-p-q;}for(it=0;it<=n-2;it=it+2){vr=fr[it];vi=fi[it];fr[it]=vr+fr[it+1];fi[it]=vi+fi[it+1];fr[it+1]=vr-fr[it+1];fi[it+1]=vi-fi[it+1];}m=n/2;nv=2;for(l0=k-2;l0>=0;l0--){m=m/2;nv=2*nv;for(it=0;it<=(m-1)*nv;it=it+nv)for(j=0;j<=(nv/2)-1;j++){}}if(l!=0)

p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];s=pr[m*j]+pi[m*j];s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);poddr=p-q;poddi=s-p-q;fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;fr[it+j]=fr[it+j]+poddr;fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;for(i=0;i<=n-1;i++){fr[i]=fr[i]/(1.0*n);fi[i]=fi[i]/(1.0*n);}if(il!=0)for(i=0;i<=n-1;i++){pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);if(fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i])){if((fi[i]*fr[i])>0)pi[i]=90.0;elsepi[i]=-90.0;}elsepi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306;}}voidmain(void){inti,n,k=0;doublex[128],pr[128],pi[128],fr[128],fi[128],mo[128];intxm,zm;int*px=int*pz=(int*)0x4080;n=128for(;;){px=(int*)0x4000;/*在这里采集数据到0x4000*/#if0for(i=0;i<128;i++){*px++=port8003;}#endifpx=(int*)0x4000;for(i=0;i<=n-1;i++){xm=*px;x[i]=xm/32768.0;pr[i]=x[i];pi[i]=0;px++;}kfft(pr,pi,128,7,fr,fi,0,1);pz=(int*)0x4080;for(i=0;i<=n-1;i++){}k++;}

mo[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);zm=(int)(mo[i]*1000.0);*pz=zm;pz++;IFFTFFTX(k)FFT子程序，FFTIFFT运算可以共用一个子程序。其中inv就为正变换和逆变换标志，0为正变换，1为逆变换voidfft(float*xr,float*xi,intn,intinv){inti,j,a,b,k,m;intep,arg,mt,s0,s1;floatsign,pr,pi,ph;float*s,*c;c=(float*)calloc(n,sizeof(float));if(c==NULL)exit(1);s=(float*)calloc(n,sizeof(float));if(s==NULL)exit(1);j=0;if(inv==0){sign=1.0;for(i=0;i<n;i++){xr[i]=xr[i]/n;xi[i]=xi[i]/n;}}elsesign=-1.0;for(i=0;i<n-1;i++){if(i<j){tra(&xr[i],&xr[j]);//交换数值tra(&xi[i],&xi[j]);}k=n/2;while(k<=j){j=j-k;k=n/2;}j=j+k;}ep=0;i=n;while(i!=1){ep=ep+1;i=i/2;}ph=2*M_PI/n;for(i=0;i<n;i++){s[i]=sign*sin(ph*i);c[i]=cos(ph*i);}a=2;b=1;for(mt=1;mt<=ep;mt++){s0=n/a;s1=0;for(k=0;k<b;k++){i=k;while(i<n){arg=i+b;if(k==0){pr=xr[arg];pi=xi[arg];}else{pr=xr[arg]*c[s1]-xi[arg]*s[s1];pi=xr[arg]*s[s1]+xi[arg]*c[s1];}xr[arg]=xr[i]-pr;xi[arg]=xi[i]-pi;xr[i]=xr[i]+pr;xi[i]=xi[i]+pi;i=i+a;}s1=s1+s0;}a=2*a;b=b*2;}free(c);free(s);}结 论本文详细介绍了超声波流量计研究发展的现状发展趋势以及市场前景，通过频差法，多普勒法，相关法等。通过超声波流量计检测方法对比，最终，确定采用了时差法计算流量的公式表达。MatlabDSP进行相关算法的实现，画出了流程图，给出了系统整体电路硬件设计方案，基于此，DSPDSP致 谢本次设计是在赵正敏老师的悉心指导和帮助下完成的，他对本次设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入精心的指导，使得设计及论文得以顺利完成。在论文撰写过程中，他提供了许多宝贵的思路和建议，结合工作体会和经历，提出了很多有价值的观点，为完成本次设计和论文给予了极大的帮助。在此，献上我最诚挚的感谢！设计的另一重要环节是程序的编写。和我同组的同学负责软件的编写，他花了大量的时间查阅资料，请教老师和同学。一遍一遍的在仿真软件上模拟仿真，最后终于顺利编写出了整个的软件程序。该程序基本上满足了设计之初的设想要求。在这里我要感谢他。通过这次设计，使我受益非浅。毕业设计是本科四年学习的大综合；是一场综合的考试；是一次社会实践。设计所涉及到的东西，是前所未有的。要求知识的综合性较高，各方面都要用到一点，但是我们的知识是不能达到这样的要求的，我们在困难面前没有低头，通过各方面的渠道来弥补，这恰恰就是我们在平时里没有注意到