超声多普勒流量计的频移信号检测研究

单淑娟 何敬涛 杨 健 张 伟*

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东118000）

流量是工业流域过程控制的一个关键控制参数，迄今为止，可供工业上应用的流量计仪表达60 种之多。但大多数原理的流量检测仪表多为接触式测量，实际应用中一种非接触型流量计成为必然趋势，尤其是具有侵蚀性和腐蚀性的浆液检测仪器，需要增加流量测量设备的总寿命，成本达到经济性的需求，这包括安装和维护成本。本文所述的超声波多普勒流量计具有安装简单、非接触测量、无压力损失、无流体扰动影响、适用于多种管径、几乎不需要维护、可在线维修等等优势。

1 超声波多普勒流量测量原理

当流体中含有悬浮粒子时，粒子将随着流体一起运动，当一束频率为f 的连续超声波沿着与流速成 θ角的方向传播时，则粒子散射的超声波频率fs和f 之间将服从多普勒关系，在此理论基础上，可通过计算频差得到超声波流量。如图1 所示：

图1 多普勒原理图

发射频率为f，接收到的频率为fs，则可得出下式：

2 多普勒信号解调方法

所谓解调是从携带信息的已调信号中恢复信息的过程。通常是在信息传输或处理中，发送端用发送信号对载波进行调制，形成携带消息的信号。接收端恢复原始信号进行利用，这一过程就叫解调。这里所说的解调是在接收到的混合信号中提取出反应流速信息的多普勒频移的过程。

常用的解调方法有振幅检波、鉴频、鉴相及乘法器检波等四种，换能器接收到的信号为多个固体颗粒或气泡形成的多普勒频移成份的叠加，虽然具有一定的周期性，但不会像简谐振动波那样具有对称性，而有效信号幅度又不大，要想提高叠加了速度的信号的幅度，又不提高发射波及反射波的幅度，是很难做到的。振幅检波的失真就无法避免，振幅检波的解调方法不是最理想的选择；多普勒流速信号通过频移信号测得，似乎鉴频器来解调是合乎情理的，但事实并非如此，鉴频器工作在限幅状态，限幅的非线性是的信号中含有的有效的多普勒频移信号丢失，而且鉴频效率低，灵敏度差都不可取。鉴相器由限幅、乘法、低通滤波组成，跟鉴频器一样具有信号失真，效率低灵敏度差等缺点，且输出信号失真与参考信号相位有关，只有在90 度时失真最小。采用乘法器可以通过提高参考信号幅度来提高输出信号的幅度，从而可以不失真的提取反应流速的多普勒频移信号。采用这种方法解调最为有利。

传统超声多普勒流量计用乘法器将信号解调到基频，得到平均多普勒频率与基频信号差值得绝对值，无法得到方向信息，因此这种解调方法不能判断流速方向。时域法、频域法、相域法等方法主要在医学领域中应，检测血液流速方向信息，但这些方法受成本及应用环境限制，不适用于工业管道流量测量应用。将信号解调到基频上，低流速情况下，多普勒频移信号只有几Hz,甚至更小，从而增减了低流速的检测难度，在这么低的频率下低通滤波和集成电路的性能限制。而且信号易受电源及其他低频噪声的干扰，使分析出来的频差不可靠，无法准确反应流体流速信息。

采用将接收信号解调到中频的方法，克服了统超声多普勒流量解调到基频时，存在的低流速测量困难，对检测电路性能要求过高的缺点，从而可以保证低流速区域测量的准确性、稳定性。中频解调方法是采用回波信号S(t)与一个非载波频率信号S1(t)进行乘法器混频，则经过低通滤波滤除高频分量，得到中频分量由各频率分量。设计中载波信号为1MHz，S1(t)为0.985MHz，将信号解调到中频信号为15kHz 上，当平均频差 Δf大于中频信号fc时流速方向为正， Δf＜fc时流速方向为负， Δf=fc则流体静止。解调后的信号经过调理后被高精度ADC 模块采集，进入后续信号处理。由于中频解调存在一个15kHz 的中频信号，而流速产生的频移小于15kHz 范围内，就能够可靠的实现流速方向判断。

3 数据处理

ADC 采集的数据被送入数据缓冲区。由于接收的回波信号来自流场中，发射接收换能器波束组成的一定区域内,该区域中粒子产生的回波信号,以不同的幅度和相位到达接收换能器，这些信号在接收换能器上迭加,由于这些粒子的速度不同,声波的反射角度不同,反射后的多普勒频移就不一样,迭加的结果形成了多普勒频谱峰，使得频谱峰值位置的偏移及左右频谱加宽，找出反应取样区域的多普勒频谱中的频谱的平均峰值位置,就能反映了管道中流体的流速, 通过数据处理找出频谱的平均峰值位置就能计算流体的流速、流量信息（图1）。

结束语

本文介绍了超声多普勒流量计的频移信号检测方法，流量测量的数据处理流程，提出了中频解调方法解决流速的方向判断，及低流速测量难题的应用方法。相对超声多普勒流量基频解调方法，该方法能提高低流速测量的响应能力、稳定性以及实时性。

图1 信号处理流程图