基于湍流振動的聲吶流量計的研究

李云龍

（丹東源聲中科電子有限公司，遼寧 丹東 118002）

流量是工業生產過程中的重要參數，流量測量數據是企業進行生產自動化控制、進行經濟核算的重要依據。隨著工業檢測領域對流量檢測儀表的性能要求越來越高，現有產品不能完全適應復雜的管道流體應用環境，聲吶檢測技術的發展，研發高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計，成為市場的迫切需求。

聲吶流量計的測量原理是通過對管中湍流邊界層產生的脈動信號進行測量和信號處理后得到管中流體流動的流速，進而得到流量。聲吶流量計采用PVDF壓電薄膜傳感器實現非接觸式測量，其流量測量準確度幾乎不受測量介質的壓力、濃密度、溫度等參數的影響，同時該測量方式可解決其它流量儀表所難以測量的易結垢、非導電性、強腐蝕、易燃易爆及介放射性介質的流量測量問題。

1 工作原理

根據MUSIC算法基本原理，信號協方差矩陣為：

將R進行特征值分解，得R = [U]Σ[U]H，其

xx xx中矩陣Σ為特征值對角陣，矩陣[U]為特征向量矩陣，包括信號特征向量矩陣[Us]和噪聲特征向量矩陣[UN]。故有空間譜函：

尋找波數k使得空間譜函數取最大值，以中心頻率6.329Hz為例：

特征分解后得到特征向量矩陣和特征值對角陣為：

可見第一特征值遠小于第二和第三特征值，故第一特征值為噪聲特征值，其第一特征向量為噪聲特征向量，即：

從而可以計算空間譜隨波數k的變化情況， 對所選頻率范圍內進行相同的算法處理，可以得到對應不同頻率的PMUSIC的值，將其畫在波數頻率圖上，即可得到三維的能量譜圖。湍流脈動的能量是對應特定空間波數和時間頻率的函數。湍流的脈動流速與管中平均流速大致接近（大約為平均流速的90%左右，與流速、管徑等參數有關），該流速與空間頻率時間頻率之間存在如下關系：

由此公式可知，對圖中能量集中的對流脊區域進行識別，得到其斜率，即可得到湍流的脈動流速，經過進一步的校準，就可以得到管中流速。

2 產品設計

基于湍流振動的聲吶流量計可以分為兩部分，一部分為流量計測量終端，主要由傳感器陣帶以及前置放大器組成。此終端通過耦合于管壁外側的傳感器陣帶的各個陣元測量得到時域湍流脈動信號，經過前置放大器將各通道的模擬信號放大傳輸到的后端的流量處理系統中。一部分為含氣率測量終端，通過置于管壁上的流體壓強和溫度傳感器測量得到流體的壓強和溫度，輸入到流體含氣率處理模塊用于計算得到流體體積含氣率。流量測量終端分析示意圖如圖1所示。

圖1 聲吶流量計流量測量終端分析示意圖

流量計處理主控系統負責完成信號調理、信號采集、信號處理、結果輸出功能。信號調理單元以可變增益放大器組合為核心，前端設計有抗混疊濾波器；信號采集單元須完成8路音頻模擬信號采集。由FPGA控制協同8路傳感器信號的同步采集，實現快速的實時性要求，因為工藝管道中流體流速很快。信號處理單元采用DSP陣列算法對采集到數據進行處理，通過專有編制的流量算法模型實現流量結果輸出。流量歷史數據存儲（USB接口讀取方式）、數據遠程通訊（以太網接口）、與主控系統通訊（以太網接口）、鍵盤顯示控制、模擬/數字信號輸出（Modbus/RTU RS-485/232通訊）等輔助功能外圍單元設計以單片機為核心來完成。

陣列傳感器由8個壓電薄膜傳感器組成，將8個PVDF壓電薄膜分別粘貼在8條不銹鋼帶上，制作成傳感器帶。每條不銹鋼帶間隔相同的距離，目前不銹鋼帶的間隔均是50mm，厚度為0.05mm。傳感器帶兩端用夾具固定，然后將傳感器帶安裝在包裹有防靜電薄膜的管道上，通過螺栓和彈簧將傳感器帶緊緊包裹固定在管道圓周方向上。彈簧的主要作用是使得各條PVDF壓電薄膜受力均勻，防止受力不均對實驗結果有影響。整個傳感器陣列外面需要用金屬材料進行嚴密的包裹以防止環境中的電磁干擾。

低噪聲前置放大系統是對應變測量陣列傳感器檢測到的管壁外側微小應變響應微弱電信號進行預處理，內容包括通道開啟選擇、固定增益放大、模擬帶通濾波器組、自動增益放大、板載微控制器通訊功能等。該系統需采用低噪聲器件，多層電路板設計以強化提高該系統抗干擾能力和降低噪聲。同時該系統還有通道選擇、自動增益、內核微控制器、板級通訊等單元模塊。

3 信號處理及算法實現

對于經過傳感器被動采集和前端放大的信號，后續需要經過信號調理和處理得到相應流速數據并獲得取值在精度范圍內的流量數據。8通道應變測量傳感器獲得的湍流振動信號經過濾波器完成濾波后進入模數轉換器（ADC）轉換為數字信號，即完成數字信號采集。然后經過適當數據采集調理，轉換為8通道時域信號。此信號包含管壁外的形變的時域信號的空間分布，即S(t,n)，經過二維傅里葉變換變換到頻率-波數域S(ω,k)，得到離散傅里葉頻域信號，通過數據累加器形成單一的二維頻率-波數域信號。此信號需要輸入微型處理芯片進行DSP處理，這一部分DSP屬于陣列處理單元模塊，由陣列處理器和對流脊識別器組成，通過數字處理器的處理算法得到二維頻率-波數域信號S(ω,k)中對流脊(Convective Ridge)的斜率，由之前的原理可知此斜率為流動流體速度截面的均值。即v=ω/k，從陣列處理單元的信號處理中可以得到流體中的聲速信號。計算得到的流速速率輸入到分析器進行流速校準并進行積分運算得到整體流體體積流量數據，并實時顯示在人機界面上。在另一路傳感器信號上，由管壁上的流體壓強、溫度傳感器接收到的壓強溫度信息輸入到含氣率處理單元中，連同陣列處理單元中的液體聲速值分析得到流體中的氣體含量體積比。

4 結語

從理論提出到實踐應用，聲吶流量計已經歷了多年的發展歷程，其產品的商業化程度越來越高，潛在的市場需求也越來越大。基于湍流振動的聲吶流量計在流量檢測精確度和可靠性方面的專有技術優勢，可以迅速替代常規流量檢測儀表，其安全可靠，體積小，操作維護方便，成本低廉，具有良好的推廣應用價值。