一种改进型超声波流量计及其电磁兼容性设计*

贾惠芹，李克艰，党瑞荣，冯旭东，殷 光

（西安石油大学光电油气测井教育部重点实验室，陕西西安 710065）

0 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［1～3］。本文针对多普勒法前期采用了文献［1］中的方法，在系统上电之后，主控DSP芯片首先控制波形发生电路固定产生2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［4］，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。

1 流量计算原理

基于频差法的流体流速v检测公式如式（1）所示

式中c0为声楔中的声速，α为声楔角度，fT为发射频率，Δf为多普勒频移量。在式（1）中，当探头选定后，c0，α及fT就已固定，所以，只要测出Δf就可计算出管道内的流体流动速度。在已知管道直径D的情况下，管道内的瞬时流量Q则可由式（2）求得

从式（2）可以看出:只需测出Δf，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Δf，但是由于在流速很小的情况下Δf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Δf，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Δf随着输出的控制电压呈线性变化，即式（3）

式中K为一常数，把式（3）代入式（2）可得出只需要测出锁相环的输出控制电压U就可以反推算出瞬时流量Q和流体流速v的值。

2 超声波流量计的设计与关键模块实现

2．1 超声波流量计的系统结构

仪器的设计原理框图如图1所示。从图1可以看出:单片机控制超声波驱动模块产生40V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Δf，并把这种变化量Δf转换为直流电压U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［5］。A/D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LCD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USB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［6］。

2．2 超声波驱动模块的设计

图1 系统硬件结构框图Fig 1 Structural block diagram of system hardware

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、RLC谐振法、压电晶片高压充电谐振法等［7～9］。由于电容器、电感器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RLC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2所示。此电路采用12 V直流供电，当在电路输入端通过DDS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R25用于限制集电极电流，防止烧坏晶体管［4］。

图2 换能器驱动电路Fig 2 Driving circuit of transducer

2．3 回波接收模块

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3所示。

图3 选频放大电路Fig 3 Amplifier circuit of frequency selection

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C22的并联谐振，以达到选频滤波的目的。电路中二极管D1和D2起到限幅的作用，滤除信号幅度在±0．3 V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R38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Q可用式（4）表示［4］

因此，当减小R38的阻值时，电路Q值增大，电路选频带宽减小，滤波特性增强。

3 电磁兼容性设计

3．1 电磁兼容性分析与测试

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2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［10］。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3%左右，而在打开变频器的条件下误差就很大。

根据GB/T 6833．9—1987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4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GB/T 6833．9—1987。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30 dB左右，初步估计噪声在1 MHz左右。

图4 电磁兼容性测试系统布置框图Fig 4 Layout block diagram of electromagnetic compatibility test system

3．2 电磁兼容性的改造措施

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50 Hz，泄漏电流小于0．5 mA，共模损耗小于60 dB;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。

4 实验结果

实验是在常温常压下进行的，选用的油品为32#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5所示，图5（a）中标定用的质量流量计的流速标准值为5．8 m3/h，图5（b）中标定用的质量流量计的流速标准值为4．6 m3/h，图5（c）中标定用的质量流量计的流速标准值为3．4 m3/h，图5（d）中标定用的质量流量计的流速标准值为5．2 m3/h。

图5 不同测试条件时流量的测试结果Fig 5 Flow test results under different test conditions

从图5（a），（b）和（c）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50 Hz转速情况下在4．0%以内，而到30Hz转速时测量误差范围扩大到5．20%。从图5（d）可以看出:在40 Hz转速和液相中水含量在75．31%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1．6 m3/h时测量误差高达6．0%。

5 结论

本文提出一种改进型超声波流量检测方法，该方法把复杂的频差提取问题转化为电压测量问题，简化了信号处理过程和仪器设计难度。在仪器的电磁兼容性设计方面，按照电磁兼容性标准，设计了测试方案，对仪器的电磁兼容性问题进行了整改。经过整改后的超声波流量计抗干扰能力好，能在复杂和恶劣的环境下稳定工作，测量精度高，使用范围广。

［1］ 周 莹．基于DSP的超声测厚系统研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009:41－49．

［2］ 沈建华，杨艳琴，翟骁曙．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］．北京:清华大学出版社，2004:43－87．

［3］ 张培芬．井下超声波多普勒流量测量技术研究［D］．西安:西安石油大学，2011:21－24．

［4］ 殷 光．超声波流量测量技术研究［D］．西安:西安石油大学，2012:15 －16．

［5］ 王照峰，王仕成，苏德伦．锁相环电路的基本概念及应用研究［J］．电气应用，2005，24（8）:46 －46．

［6］ 谭茂森，高凤水．气体流量的超声波频差法测试［J］．石油仪器，2008，22（1）:70 －71．

［7］ 宋寿鹏，刘金鸽，马晓昆，等．脉冲超声波发射电路:中国，201010129346．1［P］．2010—09—01．

［8］ 严红光．一种压电超声波发射器:中国，200920135475．6［P］．2010—01—20．

［9］ 徐丽娜．超声波发射器:中国，201120373114．2［P］．2012—05—30．

［10］GB/T 6833．9—1987，电子测量仪器电源线传导干扰试验的要求与方法［S］．