超聲多普勒流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張麗麗，楊 健，張 偉

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000）

流量監(jiān)測(cè)是生產(chǎn)制造過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，流量監(jiān)測(cè)的精度直接影響現(xiàn)場(chǎng)工藝能否高效運(yùn)行。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種原理的流量計(jì)的日益增多，測(cè)量的精度也不斷提高，基于超聲波信號(hào)的檢測(cè)方法逐漸演變?yōu)榱髁繖z測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。在眾多的超聲波流量檢測(cè)技術(shù)中，超聲多普勒流量計(jì)脫穎而出[1]。其優(yōu)勢(shì)：整個(gè)系統(tǒng)中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，安裝拆卸簡(jiǎn)便、不影響現(xiàn)場(chǎng)工藝流程[2]。使用過(guò)程中不受管道尺寸的限制，應(yīng)用范圍廣泛。

1 超聲波多普勒流量計(jì)的檢測(cè)原理

在利用多普勒原理進(jìn)行流量檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在管道外側(cè)對(duì)稱安裝一對(duì)超聲波換能器，換能器與管道的夾角為θ1和θ2，通常情況下θ1=θ2=45°。在檢測(cè)過(guò)程中用于發(fā)射的換能器連續(xù)發(fā)射固定頻率的超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)進(jìn)入管道內(nèi)流體介質(zhì)會(huì)發(fā)生大量反射和部分折射信號(hào)波，大量的反射信號(hào)波被用于接收的換能器接收，通過(guò)檢測(cè)接收換能器接收的超聲波回波信號(hào)的頻率與發(fā)射換能器發(fā)射的固定頻率進(jìn)行比較，得到多普勒頻移，從而實(shí)現(xiàn)流體流量的檢測(cè)。

假設(shè)c 為超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的速度，v 為管道內(nèi)被測(cè)介質(zhì)流速，f 為超聲波發(fā)射的固定頻率，fs為超聲波接收換能器接收到的頻率，θ 是超聲波與被測(cè)介質(zhì)流速方向的夾角，多普勒頻移與流速之間的關(guān)系為：

其中，A 為管道橫截面積，Δf 為超聲波發(fā)射與接收換能器頻率差，Δf=|f-fs|。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲多普勒流量計(jì)硬件框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)主要由電源模塊、MK60 主控模塊、信號(hào)處理模塊以及人機(jī)交互模塊和通信輸出模塊組成。本設(shè)計(jì)選取ARM 內(nèi)核的MK60 系列單片機(jī)作為主控模塊CPU，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的通信以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理工作。文本主要介紹信號(hào)處理模塊。該模塊主要包括超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收以及超聲波回波信號(hào)的濾波與放大。

超聲多普勒流量計(jì)采用的發(fā)射與接收換能器，其中心頻率為1MHz。MK60 主控模塊通過(guò)控制發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射1MHz 的連續(xù)方波信號(hào)，連續(xù)方波信號(hào)經(jīng)過(guò)管道中的被測(cè)介質(zhì)反射到超聲波接收換能器，最后把經(jīng)處理的頻移信號(hào)返回主控模塊進(jìn)行后續(xù)流速和流量的計(jì)算。

圖1 多普勒原理圖

圖2 超聲多普勒流量計(jì)硬件框圖

圖3 超聲波發(fā)射匹配驅(qū)動(dòng)電路

2.1 超聲波發(fā)射匹配電路的設(shè)計(jì)

超聲換能器是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，在不同的工作頻率下，其阻抗特性以及機(jī)械振動(dòng)特性差別顯著。當(dāng)處于發(fā)射工作狀態(tài)周期時(shí)發(fā)射匹配電路應(yīng)調(diào)諧于超聲波換能器的中心頻率下工作，此時(shí)換能器耦合輸出功率最大，是最佳工作模式。本文選擇高速功率MOSFET 驅(qū)動(dòng)器EL7252 作為控制高頻發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射1MHz 的超聲波信號(hào)。超聲波發(fā)射匹配電路如圖3 所示。

2.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)

超聲波接收電路的主要目的是將微弱的回波信號(hào)進(jìn)行噪聲的抑制以及信號(hào)幅值的放大，為AD 采樣模塊提供清晰可靠的回波信號(hào)。超聲波多普勒流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于VCA810 的時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐?，通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證采樣的信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最低值。確保AD 采樣數(shù)據(jù)的有效性。該部分設(shè)計(jì)如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μC/OS III（Micro-Controller Operating System Three）是一個(gè)可以基于ROM 運(yùn)行的、可裁剪的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器。μC/OS III 能夠充分利用硬件資源，變單一任務(wù)為多任務(wù)處理模式，避免CPU 空轉(zhuǎn)，充分利用了CPU，有效提高CPU 的利用率。

超聲波多普勒流量計(jì)系統(tǒng)軟件開發(fā)基于μC/OS III多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的發(fā)射及數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算，數(shù)據(jù)的輸出存儲(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)通信功能，人機(jī)操作功能以及具體模塊接口函數(shù)設(shè)計(jì)。軟件架構(gòu)如圖5所示。在多普勒流量計(jì)上電之后，MK60 內(nèi)核啟動(dòng)，創(chuàng)建各個(gè)模塊任務(wù)函數(shù)，完成系統(tǒng)硬件初始化，啟動(dòng)任務(wù)切換機(jī)制，μC/OS III 系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就緒任務(wù)的切換及響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)發(fā)射接收，頻移信號(hào)處理與流速流量計(jì)算，以及人機(jī)交互的按鍵與LCD 顯示功能。

圖4 時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

圖5 超聲波多普勒流量計(jì)多任務(wù)軟件框圖

4 應(yīng)用與結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超聲多普勒流量計(jì)系統(tǒng)，利用高速功率發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，在發(fā)射模塊加強(qiáng)信號(hào)的輸出，在接收模塊設(shè)計(jì)時(shí)變?cè)鲆嫦到y(tǒng)，按照實(shí)際需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行有控制的放大，保證信號(hào)的有效性。軟件上μC/OS III 多任務(wù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，有效提高CPU 的工作效率，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。該檢測(cè)系統(tǒng)不受被測(cè)介質(zhì)有關(guān)參數(shù)的影響，能實(shí)現(xiàn)高精度寬流量范圍的檢測(cè)，檢測(cè)精度可達(dá)2%。并且外夾式的安裝方式，不受管道尺寸的限制，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。