基于湍流振動(dòng)的聲吶流量計(jì)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(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)，流量測(cè)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(cè)領(lǐng)域?qū)α髁繖z測(cè)儀表的性能要求越來越高，現(xiàn)有產(chǎn)品不能完全適應(yīng)復(fù)雜的管道流體應(yīng)用環(huán)境，聲吶檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計(jì)，成為市場(chǎng)的迫切需求。

聲吶流量計(jì)的測(cè)量原理是通過對(duì)管中湍流邊界層產(chǎn)生的脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和信號(hào)處理后得到管中流體流動(dòng)的流速，進(jìn)而得到流量。聲吶流量計(jì)采用PVDF壓電薄膜傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，其流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受測(cè)量介質(zhì)的壓力、濃密度、溫度等參數(shù)的影響，同時(shí)該測(cè)量方式可解決其它流量儀表所難以測(cè)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(cè)量問題。

1 工作原理

根據(jù)MUSIC算法基本原理，信號(hào)協(xié)方差矩陣為：

將R進(jìn)行特征值分解，得R = [U]Σ[U]H，其

xx xx中矩陣Σ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：

尋找波數(shù)k使得空間譜函數(shù)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(duì)角陣為：

可見第一特征值遠(yuǎn)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(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，將其畫在波數(shù)頻率圖上，即可得到三維的能量譜圖。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)。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，對(duì)圖中能量集中的對(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。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于湍流振動(dòng)的聲吶流量計(jì)可以分為兩部分，一部分為流量計(jì)測(cè)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(cè)的傳感器陣帶的各個(gè)陣元測(cè)量得到時(shí)域湍流脈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過前置放大器將各通道的模擬信號(hào)放大傳輸?shù)降暮蠖说牧髁刻幚硐到y(tǒng)中。一部分為含氣率測(cè)量終端，通過置于管壁上的流體壓強(qiáng)和溫度傳感器測(cè)量得到流體的壓強(qiáng)和溫度，輸入到流體含氣率處理模塊用于計(jì)算得到流體體積含氣率。流量測(cè)量終端分析示意圖如圖1所示。

圖1 聲吶流量計(jì)流量測(cè)量終端分析示意圖

流量計(jì)處理主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、信號(hào)處理、結(jié)果輸出功能。信號(hào)調(diào)理單元以可變?cè)鲆娣糯笃鹘M合為核心，前端設(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。流量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（USB接口讀取方式）、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊（以太網(wǎng)接口）、與主控系統(tǒng)通訊（以太網(wǎng)接口）、鍵盤顯示控制、模擬/數(shù)字信號(hào)輸出（Modbus/RTU RS-485/232通訊）等輔助功能外圍單元設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心來完成。

陣列傳感器由8個(gè)壓電薄膜傳感器組成，將8個(gè)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響。整個(gè)傳感器陣列外面需要用金屬材料進(jìn)行嚴(yán)密的包裹以防止環(huán)境中的電磁干擾。

低噪聲前置放大系統(tǒng)是對(duì)應(yīng)變測(cè)量陣列傳感器檢測(cè)到的管壁外側(cè)微小應(yīng)變響應(yīng)微弱電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，內(nèi)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(dòng)增益放大、板載微控制器通訊功能等。該系統(tǒng)需采用低噪聲器件，多層電路板設(shè)計(jì)以強(qiáng)化提高該系統(tǒng)抗干擾能力和降低噪聲。同時(shí)該系統(tǒng)還有通道選擇、自動(dòng)增益、內(nèi)核微控制器、板級(jí)通訊等單元模塊。

3 信號(hào)處理及算法實(shí)現(xiàn)

對(duì)于經(jīng)過傳感器被動(dòng)采集和前端放大的信號(hào)，后續(xù)需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和處理得到相應(yīng)流速數(shù)據(jù)并獲得取值在精度范圍內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。8通道應(yīng)變測(cè)量傳感器獲得的湍流振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過濾波器完成濾波后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即完成數(shù)字信號(hào)采集。然后經(jīng)過適當(dāng)數(shù)據(jù)采集調(diào)理，轉(zhuǎn)換為8通道時(shí)域信號(hào)。此信號(hào)包含管壁外的形變的時(shí)域信號(hào)的空間分布，即S(t,n)，經(jīng)過二維傅里葉變換變換到頻率-波數(shù)域S(ω,k)，得到離散傅里葉頻域信號(hào)，通過數(shù)據(jù)累加器形成單一的二維頻率-波數(shù)域信號(hào)。此信號(hào)需要輸入微型處理芯片進(jìn)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(duì)流脊識(shí)別器組成，通過數(shù)字處理器的處理算法得到二維頻率-波數(shù)域信號(hào)S(ω,k)中對(duì)流脊(Convective Ridge)的斜率，由之前的原理可知此斜率為流動(dòng)流體速度截面的均值。即v=ω/k，從陣列處理單元的信號(hào)處理中可以得到流體中的聲速信號(hào)。計(jì)算得到的流速速率輸入到分析器進(jìn)行流速校準(zhǔn)并進(jìn)行積分運(yùn)算得到整體流體體積流量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上。在另一路傳感器信號(hào)上，由管壁上的流體壓強(qiáng)、溫度傳感器接收到的壓強(qiáng)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(jié)語

從理論提出到實(shí)踐應(yīng)用，聲吶流量計(jì)已經(jīng)歷了多年的發(fā)展歷程，其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來越高，潛在的市場(chǎng)需求也越來越大。基于湍流振動(dòng)的聲吶流量計(jì)在流量檢測(cè)精確度和可靠性方面的專有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以迅速替代常規(guī)流量檢測(cè)儀表，其安全可靠，體積小，操作維護(hù)方便，成本低廉，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。