賈惠芹，李克艱，黨瑞榮，馮旭東，殷 光

（西安石油大學光電油氣測井教育部重點實驗室，陜西西安 710065）

0 引言

超聲波多普勒法測流速有很多優(yōu)點，比如:它的測量值與流體中聲速無關，沒有零點漂移問題;分辨率高，對流體的變化響應快;測量條件不變時重復性好等特點，因此，對具有一定雜質(zhì)懸浮物的流體，多采用多普勒法進行流量測量［1～3］。本文針對多普勒法前期采用了文獻［1］中的方法，在系統(tǒng)上電之后，主控DSP芯片首先控制波形發(fā)生電路固定產(chǎn)生2種波形:一種是正弦波，另一種是方波。其中，正弦波用做超聲信號的發(fā)射，而方波則用于多普勒頻移信號的解調(diào)，然后通過后續(xù)采集電路采集頻差信號，并利用傅里葉變換方法獲取頻差信號［4］，這種方法在流速很小的情況下對頻率分辨率的要求較高，不易獲取頻差。

本文在前期的這種基于超聲波解調(diào)方法的基礎上，提出了一種新的基于鎖相環(huán)的方法，采用該方法不用直接采集頻差值，省去了復雜的信號處理過程，簡化了電路設計，同時也節(jié)省了費用，直接用單片機采集就可以。文中還針對本儀器在現(xiàn)場使用時，易受外部的變頻器、大電機等外部電磁信號的影響，導致儀器一直無法正常工作的問題，給出了儀器電磁兼容性的整改措施。

1 流量計算原理

基于頻差法的流體流速v檢測公式如式（1）所示

式中c0為聲楔中的聲速，α為聲楔角度，fT為發(fā)射頻率，Δf為多普勒頻移量。在式（1）中，當探頭選定后，c0，α及fT就已固定，所以，只要測出Δf就可計算出管道內(nèi)的流體流動速度。在已知管道直徑D的情況下，管道內(nèi)的瞬時流量Q則可由式（2）求得

從式（2）可以看出:只需測出Δf，即可求出流體瞬時流量?？v觀現(xiàn)在的文獻，多數(shù)是通過后續(xù)的調(diào)制解調(diào)電路獲取Δf，但是由于在流速很小的情況下Δf往往很小，采用信號處理的方法往往無法區(qū)別流速的變化量，所以，本文提出采用鎖相環(huán)的方式來跟蹤超聲波發(fā)射頻率的變化量，并把這種變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量。接收到的超聲波信號經(jīng)過分頻電路對信號進行分頻后，經(jīng)過鎖相環(huán)電路對超聲波信號的發(fā)射頻率進行跟蹤，其接收到的超聲波信號和發(fā)射的超聲波信號的頻率之值即為頻差Δf，根據(jù)鎖相環(huán)的原理，為保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則鎖相環(huán)的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，由此可得出頻差Δf隨著輸出的控制電壓呈線性變化，即式（3）

式中K為一常數(shù)，把式（3）代入式（2）可得出只需要測出鎖相環(huán)的輸出控制電壓U就可以反推算出瞬時流量Q和流體流速v的值。

2 超聲波流量計的設計與關鍵模塊實現(xiàn)

2．1 超聲波流量計的系統(tǒng)結(jié)構

儀器的設計原理框圖如圖1所示。從圖1可以看出:單片機控制超聲波驅(qū)動模塊產(chǎn)生40V的電壓信號，驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號經(jīng)過貼在管壁的發(fā)射換能器發(fā)射到流體中，接收換能器接收穿過流體和管壁的超聲波信號，并將接收到的微弱信號送給回波信號接收模塊，分頻模塊對接收到的超聲波信號進行分頻，然后經(jīng)過鎖相環(huán)對接收到的超聲波信號進行頻率跟蹤，跟蹤接收到的超聲波信號的頻率變化量Δf，并把這種變化量Δf轉(zhuǎn)換為直流電壓U輸出。為了方便后續(xù)的采集，進行了分頻，分頻結(jié)束后選用了成熟的鎖相環(huán)電路［5］。A/D轉(zhuǎn)換器對鎖相環(huán)輸出的直流電壓信號進行數(shù)字化，單片機采集電壓值并送LCD顯示模塊進行顯示，而對管徑、數(shù)據(jù)傳輸格式等的設置則可直接通過鍵盤模塊來設定。另外還預留了USB接口模塊，用于和上位機通信，以做進一步的流量分析和預測［6］。

2．2 超聲波驅(qū)動模塊的設計

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖Fig 1 Structural block diagram of system hardware

常用的超聲換能器驅(qū)動方法有電容瞬間放電法、電容瞬間充電法、電感瞬間放電法、脈沖電源激勵法、RLC諧振法、壓電晶片高壓充電諧振法等［7～9］。由于電容器、電感器充放電等方法需要使用直流高壓源或者對介質(zhì)的阻抗變化比較敏感，因此，本文選用RLC諧振法來產(chǎn)生連續(xù)的超聲波驅(qū)動信號，文中采用中頻變壓器實現(xiàn)升壓和傳感器的阻抗匹配及調(diào)諧，驅(qū)動電路如圖2所示。此電路采用12 V直流供電，當在電路輸入端通過DDS產(chǎn)生一個單極性正弦波時，經(jīng)過晶體管的放大、變壓器的升壓以及電容的匹配后，超聲換能器上將得到一個較高幅度的功率信號，電路中的電阻器R25用于限制集電極電流，防止燒壞晶體管［4］。

圖2 換能器驅(qū)動電路Fig 2 Driving circuit of transducer

2．3 回波接收模塊

由于接收換能器接收到的回波信號幅度較小，并且在回波信號的傳播過程中，這個微弱信號會受到外界環(huán)境噪聲、電路噪聲、電源噪聲等的干擾。因此，在接收電路最前端需要一個選頻放大電路。選頻放大電路對接收探頭接收的小信號進行頻率選擇和一次放大，濾除發(fā)射頻率一定范圍外的噪聲，并將有用信號放大以利于后期信號處理，低噪聲前置放大電路對接收到的超聲回波信號進行二次放大，本文設計的選頻放大電路如圖3所示。

圖3 選頻放大電路Fig 3 Amplifier circuit of frequency selection

本電路以中頻變壓器為核心，變壓器在此處實現(xiàn)阻抗匹配、信號放大和濾波?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)變壓器中心的磁帽，使變壓器的次級電感器與電容器C22的并聯(lián)諧振，以達到選頻濾波的目的。電路中二極管D1和D2起到限幅的作用，濾除信號幅度在±0．3 V以外的噪聲信號，防止大信號經(jīng)過放大后影響后續(xù)電路正常工作，電阻器R38在此起到調(diào)節(jié)帶寬的作用，由并聯(lián)諧振的知識可知，此電路的品質(zhì)因數(shù)Q可用式（4）表示［4］

因此，當減小R38的阻值時，電路Q值增大，電路選頻帶寬減小，濾波特性增強。

3 電磁兼容性設計

3．1 電磁兼容性分析與測試

電磁兼容性是設備正常工作的一個很重要的因素，電磁兼容性問題實際包括2個方面，一個是傳導干擾，另一個是輻射干擾。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)主要是受變頻器、大電機等強電磁干擾信號的影響，這種干擾主要來源于電源線的傳導干擾。所以，在超聲波流量計的電磁兼容性測試中主要測試的是電源線的傳導干擾［10］。在靜態(tài)即沒有打開變頻器的條件下，儀器的相對測量誤差在3%左右，而在打開變頻器的條件下誤差就很大。

根據(jù)GB/T 6833．9—1987電子測量儀器電磁兼容性試驗規(guī)范:電子測量儀器電源線傳導干擾試驗的要求和方法，對超聲波流量計進行了電源線傳導干擾測試，測試系統(tǒng)的連接關系如圖4所示，測試選用的主要儀器包括:電流環(huán)、線路阻抗匹配網(wǎng)絡以及頻譜分析儀，測試步驟參照GB/T 6833．9—1987。從測試結(jié)果可以看出:對比變頻器開閉，干擾很明顯，其幅度大概在30 dB左右，初步估計噪聲在1 MHz左右。

圖4 電磁兼容性測試系統(tǒng)布置框圖Fig 4 Layout block diagram of electromagnetic compatibility test system

3．2 電磁兼容性的改造措施

經(jīng)過電磁兼容性測試，分析得出環(huán)境噪聲主要來源于交流電源線干擾，因此，在市電輸出端安裝了交流電源濾波器。該濾波器的設計參數(shù)如下:工作頻率為50 Hz，泄漏電流小于0．5 mA，共模損耗小于60 dB;同時在超聲波的供電部分加了一個直流濾波器，濾除交流噪聲干擾，避免其混入交流電源線。

4 實驗結(jié)果

實驗是在常溫常壓下進行的，選用的油品為32#礦物機械油，水使用的是自來水，氣相為空氣。在不同的螺桿泵轉(zhuǎn)速以及油、氣、水比例的情況下，開展了多次實驗，得到了多組實驗數(shù)據(jù)。本次實驗以質(zhì)量流量計的測試結(jié)果作為標準值，流量測量的相對誤差與測量次數(shù)的關系如圖5所示，圖5（a）中標定用的質(zhì)量流量計的流速標準值為5．8 m3/h，圖5（b）中標定用的質(zhì)量流量計的流速標準值為4．6 m3/h，圖5（c）中標定用的質(zhì)量流量計的流速標準值為3．4 m3/h，圖5（d）中標定用的質(zhì)量流量計的流速標準值為5．2 m3/h。

圖5 不同測試條件時流量的測試結(jié)果Fig 5 Flow test results under different test conditions

從圖5（a），（b）和（c）的實驗數(shù)據(jù)可以看出:本文研制的超聲波流量計在油水兩相流流量測量中的測量誤差隨著管道流量值的減小而增大，測量誤差在50 Hz轉(zhuǎn)速情況下在4．0%以內(nèi)，而到30Hz轉(zhuǎn)速時測量誤差范圍擴大到5．20%。從圖5（d）可以看出:在40 Hz轉(zhuǎn)速和液相中水含量在75．31%情況下，流量測量誤差隨著加氣量的增加而增加，當加氣量為1．6 m3/h時測量誤差高達6．0%。

5 結(jié)論

本文提出一種改進型超聲波流量檢測方法，該方法把復雜的頻差提取問題轉(zhuǎn)化為電壓測量問題，簡化了信號處理過程和儀器設計難度。在儀器的電磁兼容性設計方面，按照電磁兼容性標準，設計了測試方案，對儀器的電磁兼容性問題進行了整改。經(jīng)過整改后的超聲波流量計抗干擾能力好，能在復雜和惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，測量精度高，使用范圍廣。

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