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)進行生產(chǎn)自動化控制、進行經(jīng)濟核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測領域?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, 如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時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)、流體流動的特性、安裝工藝條件、維護需求及經(jīng)濟性等原因, 不能完全適用復雜的管道流體應用環(huán)境。隨著聲吶檢測技術的發(fā)展, 研發(fā)高可靠性、高性的聲吶在線流量計, 成為市場的迫切需求。聲吶流量計采用非接觸式測量, 其流量測量準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、非導電性、強腐蝕、易燃易爆及介放射性介質(zhì)的流量測量問題。

  本文詳細介紹了聲吶流量計的工作原理和產(chǎn)品設計, 在借鑒吸收國外聲吶測量技術的基礎上設計了基于TMS320F28335單片機的流量檢測儀表。聲吶流量計是目前***先進的流量檢查技術, 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)品設計中高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 在軟件設計時, 采用溫度補償、傅里葉變換等方法修正測量精度。

  由模擬計算及實驗所測信號可以發(fā)現(xiàn), 單純從時域的湍流脈動信號難以得到與流速相關的信息。傅里葉變換可以很方便地得到各個通道信號的頻域信息, 但是由于空間只有8個傳感器得到的8個信號數(shù)據(jù), 難以通過二維傅里葉變換同時得到時間和空間的頻率信息。通過應用陣列信號處理領域的多重信號分類算法 (Multiple Signal Classfication, MUSIC算法) 破解了該難題, 通過應用該算法對8路陣列信號數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理, 得到了波數(shù)-頻率域的對流脊曲線, 進而得到了對應的流速。詳細介紹如下。

  根據(jù)MUSIC算法基本原理, 信號協(xié)方差矩陣為:

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

  計算空間譜隨波數(shù)k的變化情況, 對所選頻率范圍內(nèi)進行相同的算法處理, 可以得到對應不同頻率的PMUSIC的值。湍流脈動的能量是對應特定空間波數(shù)和時間頻率的函數(shù)。能量的集中區(qū)域為一屋脊狀結(jié)構(gòu), 稱為對流脊, 它代表了湍流脈動信號的空間和時間頻率特征。湍流的脈動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) , 該流速與空間頻率時間頻率之間存在如下關系:

  由此公式可知, 能量集中的對流脊區(qū)域進行識別, 得到其斜率, 即可得到湍流的脈動流速, 經(jīng)過進一步的校準, 就可以得到管中流速。

  主控系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩個部分:模擬部分包括前置放大電路、信號采集電路 (包括對數(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)、人機界面、繼電器輸出和控制輸出電路等。在硬件設計過程中充分考慮成本和性能兩個方面, 力求性能穩(wěn)定, 結(jié)構(gòu)簡單, 功能完善, 存在擴展功能。

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

  前級信號采集電路有遠大于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, 電容的放電時間常數(shù)很大, 這樣可以提高電路的低頻測量能力和信號幅度, 減少負載效應。

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

  信號處理主控系統(tǒng)具有信號調(diào)理、信號采集、信號處理和結(jié)果輸出等功能。信號調(diào)理單元以可變增益放大器組合為核心, 前段設計有抗混疊濾波器;信號采集單元須完成8路音頻模擬信號采集。由FPGA控制協(xié)同8路傳感器信號的同步采集, 實現(xiàn)快速的實時性要求, 因為工藝管道中流體流速很快;信號處理單元采用DSP陣列算法對采集到數(shù)據(jù)進行處理, 通過專有編制的流量算法模型實現(xiàn)流量結(jié)果輸出;以太網(wǎng)通信、鍵盤顯示控制、模擬/數(shù)字信號輸出 (Modbus/RTU RS-485/232通信) 等輔助功能外圍單元設計以單片機為核心來完成。

  聲吶流量計采用標準表法確定檢測精度, 測量系統(tǒng)主要由水池、水泵、電磁流量計、聲吶流量計、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用于標定聲吶流量計。實驗要求在1.0m/s~4.0m/s的流速變化范圍內(nèi)進行對比測試。測量范圍內(nèi)每變化0.5m/s選擇1個流量標定點, 標準表 (電磁流量計) 與被測表 (聲吶流量計) 的累積流量值由水流量控制系統(tǒng)實時記錄, 通過對比分析計算得到測量精度。

  水流量控制系統(tǒng)采集多個流速點, 累積后得到流量值, 確定的8個測試流速點分別是:1.0m/s, 1.5m/s, 2.0m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, 4.5m/s, 標定實驗要求對各流速點進行往復5次的重復測試實驗。流量從1.0m/s~4.5m/s范圍內(nèi), 聲吶流量計的平均誤差小于0.13%, 由此可以反映出兩種流量計的波動趨勢相近, 聲吶流量計能夠準確反映流量變化情況, 滿足工藝現(xiàn)場自動控制要求。

  本設計采用TMS320F28335作為系統(tǒng)的主控芯片, 由于它具有高速信號處理能力, 測量的實時性得到了有效的保證。聲吶流量計除了具有流量計算功能模塊之外, 還設計相關的功能模塊:顯示模塊、存儲模塊、人機界面模塊、電源模塊等。現(xiàn)場應用表明:其安全可靠, 體積小, 操作維護方便, 成本低廉, 具有廣闊的應用前景。