流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù), 流量測量數(shù)據(jù)是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)化控制、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)α髁繖z測儀表的性能要求越來越高, 現(xiàn)有的常規(guī)流量計(jì), 如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時(shí)差法和多普勒頻移法原理的流量儀表, 由于在不同程度上受限于流體的物理性質(zhì)、流體流動(dòng)的特性、安裝工藝條件、維護(hù)需求及經(jīng)濟(jì)性等原因, 不能完全適用復(fù)雜的管道流體應(yīng)用環(huán)境。隨著聲吶檢測技術(shù)的發(fā)展, 研發(fā)高可靠性、高性的聲吶在線流量計(jì), 成為市場的迫切需求。聲吶流量計(jì)采用非接觸式測量, 其流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受測量介質(zhì)的壓力、濃密度、溫度等參數(shù)的影響, 同時(shí)該測量方式可解決其他流量儀表所難以測量的易結(jié)垢、非導(dǎo)電性、強(qiáng)腐蝕、易燃易爆及介放射性介質(zhì)的流量測量問題。

  本文詳細(xì)介紹了聲吶流量計(jì)的工作原理和產(chǎn)品設(shè)計(jì), 在借鑒吸收國外聲吶測量技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335單片機(jī)的流量檢測儀表。聲吶流量計(jì)是目前***先進(jìn)的流量檢查技術(shù), 目前國際上只有美國一家公司擁有基于此原理的產(chǎn)品。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 在軟件設(shè)計(jì)時(shí), 采用溫度補(bǔ)償、傅里葉變換等方法修正測量精度。

  由模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)所測信號(hào)可以發(fā)現(xiàn), 單純從時(shí)域的湍流脈動(dòng)信號(hào)難以得到與流速相關(guān)的信息。傅里葉變換可以很方便地得到各個(gè)通道信號(hào)的頻域信息, 但是由于空間只有8個(gè)傳感器得到的8個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù), 難以通過二維傅里葉變換同時(shí)得到時(shí)間和空間的頻率信息。通過應(yīng)用陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的多重信號(hào)分類算法 (Multiple Signal Classfication, MUSIC算法) 破解了該難題, 通過應(yīng)用該算法對(duì)8路陣列信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 得到了波數(shù)-頻率域的對(duì)流脊曲線, 進(jìn)而得到了對(duì)應(yīng)的流速。詳細(xì)介紹如下。

  根據(jù)MUSIC算法基本原理, 信號(hào)協(xié)方差矩陣為:

  將Rxx進(jìn)行特征值分解, 得Rxx=[U]∑[U]H, 其中矩陣∑為特征值對(duì)角陣, 矩陣[U]為特征向量矩陣, 包括信號(hào)特征向量矩陣[Us]和噪聲特征向量矩陣[UN]。故有空間譜函

  計(jì)算空間譜隨波數(shù)k的變化情況, 對(duì)所選頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相同的算法處理, 可以得到對(duì)應(yīng)不同頻率的PMUSIC的值。湍流脈動(dòng)的能量是對(duì)應(yīng)特定空間波數(shù)和時(shí)間頻率的函數(shù)。能量的集中區(qū)域?yàn)橐晃菁範(fàn)罱Y(jié)構(gòu), 稱為對(duì)流脊, 它代表了湍流脈動(dòng)信號(hào)的空間和時(shí)間頻率特征。湍流的脈動(dòng)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(shù)有關(guān)) , 該流速與空間頻率時(shí)間頻率之間存在如下關(guān)系:

  由此公式可知, 能量集中的對(duì)流脊區(qū)域進(jìn)行識(shí)別, 得到其斜率, 即可得到湍流的脈動(dòng)流速, 經(jīng)過進(jìn)一步的校準(zhǔn), 就可以得到管中流速。

  主控系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分:模擬部分包括前置放大電路、信號(hào)采集電路 (包括對(duì)數(shù)放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路等) ;數(shù)字部分包括TMS320F28335主控系統(tǒng)、人機(jī)界面、繼電器輸出和控制輸出電路等。在硬件設(shè)計(jì)過程中充分考慮成本和性能兩個(gè)方面, 力求性能穩(wěn)定, 結(jié)構(gòu)簡單, 功能完善, 存在擴(kuò)展功能。

  根據(jù)PVDF壓電薄膜的電荷等效模型設(shè)計(jì)了前置放大電路, 其包括前級(jí)信號(hào)采集設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)以及整體電路設(shè)計(jì), 以下做具體說明:

  前級(jí)信號(hào)采集電路有遠(yuǎn)大于PVDF薄膜的輸入阻抗, 使得PVDF產(chǎn)生的電荷盡可能多地積累在電容上, 有效減少了電荷泄漏, 而輸入的電阻很大, 電容的放電時(shí)間常數(shù)很大, 這樣可以提高電路的低頻測量能力和信號(hào)幅度, 減少負(fù)載效應(yīng)。

  濾波器的幅頻特性與階數(shù)有關(guān), 階數(shù)越多特性越好, 同時(shí)電路的復(fù)雜程度也越高。本設(shè)計(jì)采用有源巴特沃斯低通濾波器加無源低通濾波器的設(shè)計(jì), 使得通帶內(nèi)的增益穩(wěn)定, 不會(huì)出現(xiàn)在截止頻率附近的增益隆起現(xiàn)象。

  信號(hào)處理主控系統(tǒng)具有信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果輸出等功能。信號(hào)調(diào)理單元以可變?cè)鲆娣糯笃鹘M合為核心, 前段設(shè)計(jì)有抗混疊濾波器;信號(hào)采集單元須完成8路音頻模擬信號(hào)采集。由FPGA控制協(xié)同8路傳感器信號(hào)的同步采集, 實(shí)現(xiàn)快速的實(shí)時(shí)性要求, 因?yàn)楣に嚬艿乐辛黧w流速很快;信號(hào)處理單元采用DSP陣列算法對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 通過專有編制的流量算法模型實(shí)現(xiàn)流量結(jié)果輸出;以太網(wǎng)通信、鍵盤顯示控制、模擬/數(shù)字信號(hào)輸出 (Modbus/RTU RS-485/232通信) 等輔助功能外圍單元設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心來完成。

  聲吶流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)表法確定檢測精度, 測量系統(tǒng)主要由水池、水泵、電磁流量計(jì)、聲吶流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門及管道等組成, 通過調(diào)節(jié)水泵和速度調(diào)節(jié)閥控制流量的大小, 在循環(huán)系統(tǒng)中安裝的電磁式流量計(jì)用于標(biāo)定聲吶流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)要求在1.0m/s~4.0m/s的流速變化范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比測試。測量范圍內(nèi)每變化0.5m/s選擇1個(gè)流量標(biāo)定點(diǎn), 標(biāo)準(zhǔn)表 (電磁流量計(jì)) 與被測表 (聲吶流量計(jì)) 的累積流量值由水流量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄, 通過對(duì)比分析計(jì)算得到測量精度。

  水流量控制系統(tǒng)采集多個(gè)流速點(diǎn), 累積后得到流量值, 確定的8個(gè)測試流速點(diǎn)分別是:1.0m/s, 1.5m/s, 2.0m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, 4.5m/s, 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)要求對(duì)各流速點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)5次的重復(fù)測試實(shí)驗(yàn)。流量從1.0m/s~4.5m/s范圍內(nèi), 聲吶流量計(jì)的平均誤差小于0.13%, 由此可以反映出兩種流量計(jì)的波動(dòng)趨勢(shì)相近, 聲吶流量計(jì)能夠準(zhǔn)確反映流量變化情況, 滿足工藝現(xiàn)場自動(dòng)控制要求。

  本設(shè)計(jì)采用TMS320F28335作為系統(tǒng)的主控芯片, 由于它具有高速信號(hào)處理能力, 測量的實(shí)時(shí)性得到了有效的保證。聲吶流量計(jì)除了具有流量計(jì)算功能模塊之外, 還設(shè)計(jì)相關(guān)的功能模塊:顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊等。現(xiàn)場應(yīng)用表明:其安全可靠, 體積小, 操作維護(hù)方便, 成本低廉, 具有廣闊的應(yīng)用前景。