超声波流量检测技术的研究
摘要
超声波流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有费用低，安装简便，不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力等优点，是一种非常理想的节能型流量计。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多地方不完善，没有得到普遍的应用，因而在科学技术迅速发展的今天，无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说，超声流量计的研究都将是一项极有意义的研究课题。
本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。其中硬件系统以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A为核心，由于DSP芯片的信号处理速度快，就确保了本系统高的测量精度。硬件包括超声波信号的产生与功率放大、信号接收与放大，数据采集、存储、显示和DSP处理器系统；然后根据系统的硬件电路，引入先进的数字信号处理技术，在频域上对多普勒信号进行有效的处理；首先对多普勒频移信号进行采样，再进行FFT变换，进而得到该信号的功率谱，运用频谱细化分析方法对功率谱图进行分析，再加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率值，在此基础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。
系统能够完成对超声波信号的发射和采集，基本能达到设计要求，由于实验条件的限制，系统具体的精度指标还无法测出。最后文章给出了系统的改进意见。
Both industrial production and scientific experimentation cannot go away with realization and control of flow. The ultrasonic flow measurement technology's operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquid's flow velocity, and then, the signal will be used to compute the flow. Due to its advantage in accuracy, turndown ratio and no excess pressure drop, the current market for ultrasonic flow meter technology is growing rapidly in flow measurement. However, the ultrasonic flow meter develops just some ten years, and has not run in all fields it can be, so it provides many distinct and difficult challenges, and its significance not only to automatic measurement but to environment protection.
The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. The core of the hardware is chip of TMS320LF2407A. High precision is guaranteed because of quick velocity of signal processing of DSP chip. Hardware includes generating and amplifying of ultrasonic, receiving and amplification of signal, data acquisition, Memory, display and DSP; on the base of hardware, Digital signal processing is introduced to analyze Doppler signal, for example, FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain. After this, filter software is in use. Thus Doppler frequency shift is obtained. According to Doppler Effect, velocity and flux can be calculated.
The system can transmits and receives the ultrasonic wave, the results of practical measurement and experiment show that the scheme has reached the requisition. Because of the restriction of experiment, the practice precision of the measure has not been measured.
本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。其中硬件系统以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A为核心，由于DSP芯片的信号处理速度快，就确保了本系统高的测量精度。硬件包括超声波信号的产生与功率放大、信号接收与放大，数据采集、存储、显示和DSP处理器系统；然后根据系统的硬件电路，引入先进的数字信号处理技术，在频域上对多普勒信号进行有效的处理；首先对多普勒频移信号进行采样，再进行FFT变换，进而得到该信号的功率谱，运用频谱细化分析方法对功率谱图进行分析，再加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率值，在此基础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。
系统能够完成对超声波信号的发射和采集，基本能达到设计要求，由于实验条件的限制，系统具体的精度指标还无法测出。最后文章给出了系统的改进意见。
Both industrial production and scientific experimentation cannot go away with realization and control of flow. The ultrasonic flow measurement technology's operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquid's flow velocity, and then, the signal will be used to compute the flow. Due to its advantage in accuracy, turndown ratio and no excess pressure drop, the current market for ultrasonic flow meter technology is growing rapidly in flow measurement. However, the ultrasonic flow meter develops just some ten years, and has not run in all fields it can be, so it provides many distinct and difficult challenges, and its significance not only to automatic measurement but to environment protection.
The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. The core of the hardware is chip of TMS320LF2407A. High precision is guaranteed because of quick velocity of signal processing of DSP chip. Hardware includes generating and amplifying of ultrasonic, receiving and amplification of signal, data acquisition, Memory, display and DSP; on the base of hardware, Digital signal processing is introduced to analyze Doppler signal, for example, FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain. After this, filter software is in use. Thus Doppler frequency shift is obtained. According to Doppler Effect, velocity and flux can be calculated.
The system can transmits and receives the ultrasonic wave, the results of practical measurement and experiment show that the scheme has reached the requisition. Because of the restriction of experiment, the practice precision of the measure has not been measured.
引文
[1] 苏彦勋，李金海．流量计量．北京：中国计量出版社，1991．
[2] 梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表．北京：机械工业出版社，2002．
[3] 易兵，张发兴．超声波流量测量技术及发展．测试技术学报，1995，9(1)：14-18．
[4] 应崇福．超声学．北京：北京科学出版社，1990．
[5] 程存弟．超声技术—功率超声及应用．陕西：陕西师范大学出版社，1993．
[6] YODER J. Ultrasonic Flow meter Market is Expected to Grow Strongly. Pipeline and Gas Journal, 2002, 229(4): 23-25.
[7] Kinghorn F C. Industrial needs for cost-effective flow measurement. The 8th International Conference on flow Measurement. 1996.
[8] Lawrence C L. Ultrasonic Flow meters. Physical Acoustics, 1979, 14(1): 46-48.
[9] 胡建恺，张谦琳．超声检测原理和方法．北京：中国科学技术大学出版社，1993．
[10] GABOR VASS. Ultrasonic flow meter basics. Sensors, 1997, 14(10): 73-78.
[11] Mcshane J L. Ultrasonic Flowmeter Basics. Instrumentation Technology, 1979, 7: 32-39.
[12] 强发红，毛协柱．时差法超声波流量计的应用技术．仪器仪表与应用，2001，1：60-64．
[13] 闫向宏．超声波流量计的现状与展望．油气储运，1998，17(8)：51-53．
[14] 廖志敏，熊珊．超声波流量计的研究和应用．管道技术与设备，2004，4：12-13．
[15] Miller R W. Flow Measurement Engineering Handbook. New York: Mc Graw-Hill Book Company, 1983.
[16] Lowell F C. Hirschfield F. Acoustic Flow meters for Pipelines. Mechanical Engineering, 1979, 101(10): 32-39.
[17] 张秀梅．多普勒效应公式的一种新的推导方法．锦州医学院学报，2001，22(2)：71-73．
[18] 刘镇清，黄瑞菊，薄板声．超声检测超声传播模式的实验研究．声学学报，2000．25(3)：63-65．
[19] 金长善．超声工程．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989．
[20] 李明伟，亓月刚，李春杰．TDS1012示波器在超声波多普勒流量计研制中的应用．国外电子测量技术2003年增刊-设计与应用：22-24．
[21] 张令瑜，顾慧萍，王艳等．关于超声波多普勒法测量流体流速的一种新的理论方法探讨．哈尔滨工业大学学报，1996，28(1)：32-36．
[22] 罗守南，刘岩，冯冠平．连续波超声多普勒管道流量测量．仪表技术与传感器，2004．No．12：23-29．
[23] Newhouse V L, Amir I. Trans on Sonic and Ultrasonic. Physical Acoustics, 1983, 30: 52-56.
[24] Ghaond T, Clarke D W. Modeling and Tracking a Vortex Flow-meter signal. Flow Measurement and Instrumentation. 2002, 13: 115-117.
[25] 同济大学声学研究室．超声工业测量技术．上海：上海人民出版社，1977．
[26] 袁易全．近代超声原理及应用．南京：南京大学出版社，1996．
[27] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社．2001．
[28] 吴均．3种混频电路的实验探讨．四川师范大学学报(自然科学版)，1997，20(5)：109-115．
[29] 雷少刚，耿旭．混频电路的应用及分析方法．西安航空技术高等专科学校学报，2002，20(3)：25-27．
[30] 林章．模拟相乘器MC1496的应用分析．闽江学院学报，2005，25(2)：44-49．
[31] 江思敏．TMS320LF240x DSP硬件开发教程．北京：机械工业出版社，2003．
[32] TI, TMS320LF2407A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual, 2002.
[33] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例．北京：电子工业出版社，2002．
[34] 朱铭锆，赵勇，甘泉．DSP应用系统设计．北京：电子工业出版社，2002．
[35] 张俊．基于DSP的超声波流量计：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大学，2005．
[36] 杨萍．基于DSP的超声相关流量测量系统的研究：(硕士学位论文)．西安：西安科技大学，2005．
[37] TMS320C1x/C2x/C2xx/C5x Assembly Language Tools User's Guide. TI Company.
[38] 汪源源，刘斌，吴晓峰等．超声多普勒信号的频谱分析．声学技术，1998．17(2)：57-61．
[39] 刘和平．TMS320LF240x DSP C语言开发应用．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[40] Bram E O. Fast Fourier Transform. Shanghai: Shanghai Since and Technology Press, 1979.
[41] 胡广书．数字信号处理．清华大学出版社，2000．
[42] 何振亚．数字信号处理的理论与应用．北京：人民邮电出版社，1983．
[43] 徐科军，陈荣保，张崇巍．自动检测和仪表中的共性技术．北京：清华大学出版社，2000．
[44] 刘进明，应怀樵．FFT谱连续细化分析的傅里叶变换法．振动工程学报，1995，8(2)：162-166．
[45] 曹浩，邓艾东，杨建刚．FFT谱连续细化方法在汽轮机叶片精频测试中的应用．汽轮机技术，2005，47(5)：365-367．
[46] 梅海青，冯毅．数字变频FFT在频谱分析中的应用．石油化工自动化，2003，1(57)：57-58．
[47] 张铮，杨文平，石博强等著．MATLAB程序设计与实例应用．北京：中国铁道出版社，2003．
[2] 梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表．北京：机械工业出版社，2002．
[3] 易兵，张发兴．超声波流量测量技术及发展．测试技术学报，1995，9(1)：14-18．
[4] 应崇福．超声学．北京：北京科学出版社，1990．
[5] 程存弟．超声技术—功率超声及应用．陕西：陕西师范大学出版社，1993．
[6] YODER J. Ultrasonic Flow meter Market is Expected to Grow Strongly. Pipeline and Gas Journal, 2002, 229(4): 23-25.
[7] Kinghorn F C. Industrial needs for cost-effective flow measurement. The 8th International Conference on flow Measurement. 1996.
[8] Lawrence C L. Ultrasonic Flow meters. Physical Acoustics, 1979, 14(1): 46-48.
[9] 胡建恺，张谦琳．超声检测原理和方法．北京：中国科学技术大学出版社，1993．
[10] GABOR VASS. Ultrasonic flow meter basics. Sensors, 1997, 14(10): 73-78.
[11] Mcshane J L. Ultrasonic Flowmeter Basics. Instrumentation Technology, 1979, 7: 32-39.
[12] 强发红，毛协柱．时差法超声波流量计的应用技术．仪器仪表与应用，2001，1：60-64．
[13] 闫向宏．超声波流量计的现状与展望．油气储运，1998，17(8)：51-53．
[14] 廖志敏，熊珊．超声波流量计的研究和应用．管道技术与设备，2004，4：12-13．
[15] Miller R W. Flow Measurement Engineering Handbook. New York: Mc Graw-Hill Book Company, 1983.
[16] Lowell F C. Hirschfield F. Acoustic Flow meters for Pipelines. Mechanical Engineering, 1979, 101(10): 32-39.
[17] 张秀梅．多普勒效应公式的一种新的推导方法．锦州医学院学报，2001，22(2)：71-73．
[18] 刘镇清，黄瑞菊，薄板声．超声检测超声传播模式的实验研究．声学学报，2000．25(3)：63-65．
[19] 金长善．超声工程．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989．
[20] 李明伟，亓月刚，李春杰．TDS1012示波器在超声波多普勒流量计研制中的应用．国外电子测量技术2003年增刊-设计与应用：22-24．
[21] 张令瑜，顾慧萍，王艳等．关于超声波多普勒法测量流体流速的一种新的理论方法探讨．哈尔滨工业大学学报，1996，28(1)：32-36．
[22] 罗守南，刘岩，冯冠平．连续波超声多普勒管道流量测量．仪表技术与传感器，2004．No．12：23-29．
[23] Newhouse V L, Amir I. Trans on Sonic and Ultrasonic. Physical Acoustics, 1983, 30: 52-56.
[24] Ghaond T, Clarke D W. Modeling and Tracking a Vortex Flow-meter signal. Flow Measurement and Instrumentation. 2002, 13: 115-117.
[25] 同济大学声学研究室．超声工业测量技术．上海：上海人民出版社，1977．
[26] 袁易全．近代超声原理及应用．南京：南京大学出版社，1996．
[27] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社．2001．
[28] 吴均．3种混频电路的实验探讨．四川师范大学学报(自然科学版)，1997，20(5)：109-115．
[29] 雷少刚，耿旭．混频电路的应用及分析方法．西安航空技术高等专科学校学报，2002，20(3)：25-27．
[30] 林章．模拟相乘器MC1496的应用分析．闽江学院学报，2005，25(2)：44-49．
[31] 江思敏．TMS320LF240x DSP硬件开发教程．北京：机械工业出版社，2003．
[32] TI, TMS320LF2407A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual, 2002.
[33] 张雄伟，陈亮，徐光辉．DSP集成开发与应用实例．北京：电子工业出版社，2002．
[34] 朱铭锆，赵勇，甘泉．DSP应用系统设计．北京：电子工业出版社，2002．
[35] 张俊．基于DSP的超声波流量计：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大学，2005．
[36] 杨萍．基于DSP的超声相关流量测量系统的研究：(硕士学位论文)．西安：西安科技大学，2005．
[37] TMS320C1x/C2x/C2xx/C5x Assembly Language Tools User's Guide. TI Company.
[38] 汪源源，刘斌，吴晓峰等．超声多普勒信号的频谱分析．声学技术，1998．17(2)：57-61．
[39] 刘和平．TMS320LF240x DSP C语言开发应用．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[40] Bram E O. Fast Fourier Transform. Shanghai: Shanghai Since and Technology Press, 1979.
[41] 胡广书．数字信号处理．清华大学出版社，2000．
[42] 何振亚．数字信号处理的理论与应用．北京：人民邮电出版社，1983．
[43] 徐科军，陈荣保，张崇巍．自动检测和仪表中的共性技术．北京：清华大学出版社，2000．
[44] 刘进明，应怀樵．FFT谱连续细化分析的傅里叶变换法．振动工程学报，1995，8(2)：162-166．
[45] 曹浩，邓艾东，杨建刚．FFT谱连续细化方法在汽轮机叶片精频测试中的应用．汽轮机技术，2005，47(5)：365-367．
[46] 梅海青，冯毅．数字变频FFT在频谱分析中的应用．石油化工自动化，2003，1(57)：57-58．
[47] 张铮，杨文平，石博强等著．MATLAB程序设计与实例应用．北京：中国铁道出版社，2003．