摘 要: 针对超声波多普勒法测流量时，在流速较小情况下频率差不易获取 信号处理算法复杂的问题，提出一种改进型超声波流量检测方法 采用以中频变压器为核心的超声波驱动电路，提高了超声波的驱动电压; 在超声波接收电路设计中，首先对接收的小信号进行频率选择阻抗匹配放大和滤波，然后采用锁相环实现频率差与直流控制电压的线性转换; 针对仪器的电磁兼容性问题，测试了影响仪器正常工作的电源传导干扰，给出了电磁兼容性整改措施 测试结果表明: 由于采用了交流电源滤波器，流量的最大相对误差控制在 以内
关键词: 超声波流量计; 锁相环; 中频变压器; 电磁兼容性; 精度
　　引 言
　　超声波多普勒法测流速有很多优点，比如: 它的测量值与流体中声速无关，没有零点漂移问题; 分辨率高，对流体的变化响应快; 测量条件不变时重复性好等特点，因此，对具有一定杂质悬浮物的流体，多采用多普勒法进行流量测量［ ］本文针对多普勒法前期采用了文献［］中的方法，在系统上电之后，主控 芯片首先控制波形发生电路固定产生 种波形: 一种是正弦波，另一种是方波 其中，正弦波用做超声信号的发射，而方波则用于多普勒频移信号的解调，然后通过后续采集电路采集频差信号，并利用傅里叶变换方法获取频差信号［］，这种方法在流速很小的情况下对频率分辨率的要求较高，不易获取频差
　　本文在前期的这种基于超声波解调方法的基础上，提出了一种新的基于锁相环的方法，采用该方法不用直接采集频差值，省去了复杂的信号处理过程，简化了电路设计，同时也节省了费用，直接用单片机采集就可以 文中还针对本仪器在现场使用时，易受外部的变频器大电机等外部电磁信号的影响，导致仪器一直无法正常工作的问题，给出了仪器电磁兼容性的整改措施
　　流量计算原理
　　基于频差法的流体流速 检测公式如式( ) 所示 ( )式中 为声楔中的声速，为声楔角度，为发射频率，为多普勒频移量 在式( ) 中，当探头选定后，，及就已固定，所以，只要测出 就可计算出管道内的流体流动速度 在已知管道直径 的情况下，管道内的瞬时流量则可由式( ) 求得( )
　　从式( ) 可以看出: 只需测出 ，即可求出流体瞬时流量 纵观现在的文献，多数是通过后续的调制解调电路获取 ，但是由于在流速很小的情况下 往往很小，采用信号处理的方法往往无法区别流速的变化量，所以，本文提出采用锁相环的方式来跟踪超声波发射频率的变化量，并把这种变化量转换为电压变化量 接收到的超声波信号经过分频电路对信号进行分频后，经过锁相环电路对超声波信号的发射频率进行跟踪，其接收到的超声波信号和发射的超声波信号的频率之值即为频差 ，根据锁相环的原理，为保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则锁相环的电压输出端的电压发生变化，由此可得出频差 随着输出的控制电压呈线性变化，即式( )， ( )式中 为一常数，把式( ) 代入式( ) 可得出只需要测出锁相环的输出控制电压 就可以反推算出瞬时流量 和流体流速的值超声波流量计的设计与关键模块实现仪器的设计原理框图如图 所示 从图 可以看出: 单片机控制超声波驱动模块产生 的电压信号，驱动超声波发射换能器产生超声波信号，超声波信号经过贴在管壁的发射换能器发射到流体中，接收换能器接收穿过流体和管壁的超声波信号，并将接收到的微弱信号送给回波信号接收模块，分频模块对接收到的超声波信号进行分频，然后经过锁相环对接收到的超声波信号进行频率跟踪，跟踪接收到的超声波信号的频率变化量 ，并把这种变化量 转换为直流电压 输出为了方便后续的采集，进行了分频，分频结束后选用了成熟的锁相环电路［］转换器对锁相环输出的直流电压信号进行数字化，单片机采集电压值并送显示模块进行显示，而对管径数据传输格式等的设置则可直接通过键盘模块来设定 另外还预留了 接口模块，用于和上位机通信，以做进一步的流量分析和预测［］常用的超声换能器驱动方法有电容瞬间放电法电容瞬间充电法电感瞬间放电法脉冲电源激励法 谐振法压电晶片高压充电谐振法等［ ］由于电容器电感器图 系统硬件结构框图充放电等方法需要使用直流高压源或者对介质的阻抗变化比较敏感，因此，本文选用 谐振法来产生连续的超声波驱动信号，文中采用中频变压器实现升压和传感器的阻抗匹配及调谐，驱动电路如图 所示 此电路采用 直流供电，当在电路输入端通过 产生一个单极性正弦波时，经过晶体管的放大变压器的升压以及电容的匹配后，超声换能器上将得到一个较高幅度的功率信号，电路中的电阻器 用于限制集电极电流，防止烧坏晶体管［］图 换能器驱动电路由于接收换能器接收到的回波信号幅度较小，并且在回波信号的传播过程中，这个微弱信号会受到外界环境噪声电路噪声电源噪声等的干扰 因此，在接收电路最前端需要一个选频放大电路 选频放大电路对接收探头接收的小信号进行频率选择和一次放大，滤除发射频率一定范围外的噪声，并将有用信号放大以利于后期信号处理，低噪声前置放大电路对接收到的超声回波信号进行二次放大，本文设计的选频放大电路如图 所示图 选频放大电路本电路以中频变压器为核心，变压器在此处实现阻抗匹配信号放大和滤波 可通过旋转变压器中心的磁帽，使变压器的次级电感器与电容器 的并联谐振，以达到选传感器与微系统 第 卷频滤波的目的 电路中二极管 和 起到限幅的作用，滤除信号幅度在 以外的噪声信号，防止大信号经过放大后影响后续电路正常工作，电阻器 在此起到调节带宽的作用，由并联谐振的知识可知，此电路的品质因数可用式( ) 表示［］( )因此，当减小 的阻值时，电路 值增大，电路选频带宽减小，滤波特性增强电磁兼容性设计电磁兼容性是设备正常工作的一个很重要的因素，电磁兼容性问题实际包括 个方面，一个是传导干扰，另一个是辐射干扰 经过多次测试，发现主要是受变频器大电机等强电磁干扰信号的影响，这种干扰主要来源于电源线的传导干扰 所以，在超声波流量计的电磁兼容性测试中主要测试的是电源线的传导干扰［］在静态即没有打开变频器的条件下，仪器的相对测量误差在 左右，而在打开变频器的条件下误差就很大根据 电子测量仪器电磁兼容性试验规范: 电子测量仪器电源线传导干扰试验的要求和方法，对超声波流量计进行了电源线传导干扰测试，测试系统的连接关系如图所示，测试选用的主要仪器包括: 电流环 线路阻抗匹配网络以及频谱分析仪，测试步骤参照 从测试结果可以看出: 对比变频器开闭，干扰很明显，其幅度大概在 左右，初步估计噪声在 左右图 电磁兼容性测试系统布置框图经过电磁兼容性测试，分析得出环境噪声主要来源于交流电源线干扰，因此，在市电输出端安装了交流电源滤波器 该滤波器的设计参数如下: 工作频率为 ，泄漏电流小于 ，共模损耗小于 ; 同时在超声波的供电部分加了一个直流滤波器，滤除交流噪声干扰，避免其混入交流电源线
　　实验结果
　　实验是在常温常压下进行的，选用的油品为 矿物机械油，水使用的是自来水，气相为空气在不同的螺杆泵转速以及油 气水比例的情况下，开展了多次实验，得到了多组实验数据 本次实验以质量流量计的测试结果作为标准值，流量测量的相对误差与测量次数的关系如图 所示，图( )中标定用的质量流量计的流速标准值为 ，图( )中标定用的质量流量计的流速标准值为 ，图( )中标定用的质量流量计的流速标准值为 ，图( )中标定用的质量流量计的流速标准值为图 不同测试条件时流量的测试结果从图( ) ，( ) 和( ) 的实验数据可以看出: 本文研制的超声波流量计在油水两相流流量测量中的测量误差随着管道流量值的减小而增大，测量误差在 转速情况下在以内，而到 转速时测量误差范围扩大到从图( ) 可 以 看 出: 在 转速和液相中水含量在情况下，流量测量误差随着加气量的增加而增加，当加气量为 时测量误差高达 提高了解的精度，加快了其收敛速度 此外，新算法利用对立策略对算法随机产生的初始种群进行调整，改善了初始种群的质量 实验结果表明: 算法求解精度高，收敛速度快且稳定性高，这进一步说明，本文对于 算法的改进是可行且有效的
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