超声多普勒流量计系统设计与实现*

张丽丽，杨 健，张 伟

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东118000）

流量监测是生产制造过程中必不可少的重要环节之一，流量监测的精度直接影响现场工艺能否高效运行。随着电子技术的发展，各种原理的流量计的日益增多，测量的精度也不断提高，基于超声波信号的检测方法逐渐演变为流量检测技术的重要发展方向。在众多的超声波流量检测技术中，超声多普勒流量计脱颖而出[1]。其优势：整个系统中无运动部件，安装拆卸简便、不影响现场工艺流程[2]。使用过程中不受管道尺寸的限制，应用范围广泛。

1 超声波多普勒流量计的检测原理

在利用多普勒原理进行流量检测时，系统结构如图1 所示，在管道外侧对称安装一对超声波换能器，换能器与管道的夹角为θ1和θ2，通常情况下θ1=θ2=45°。在检测过程中用于发射的换能器连续发射固定频率的超声波信号，超声波信号进入管道内流体介质会发生大量反射和部分折射信号波，大量的反射信号波被用于接收的换能器接收，通过检测接收换能器接收的超声波回波信号的频率与发射换能器发射的固定频率进行比较，得到多普勒频移，从而实现流体流量的检测。

假设c 为超声波在被测介质中的速度，v 为管道内被测介质流速，f 为超声波发射的固定频率，fs为超声波接收换能器接收到的频率，θ 是超声波与被测介质流速方向的夹角，多普勒频移与流速之间的关系为：

其中，A 为管道横截面积，Δf 为超声波发射与接收换能器频率差，Δf=|f-fs|。

2 系统硬件设计

超声多普勒流量计硬件框图如图2 所示。该系统主要由电源模块、MK60 主控模块、信号处理模块以及人机交互模块和通信输出模块组成。本设计选取ARM 内核的MK60 系列单片机作为主控模块CPU，实现各个模块之间的通信以及检测数据的处理工作。文本主要介绍信号处理模块。该模块主要包括超声波信号的发射与接收以及超声波回波信号的滤波与放大。

超声多普勒流量计采用的发射与接收换能器，其中心频率为1MHz。MK60 主控模块通过控制发射电路驱动超声波换能器发射1MHz 的连续方波信号，连续方波信号经过管道中的被测介质反射到超声波接收换能器，最后把经处理的频移信号返回主控模块进行后续流速和流量的计算。

图1 多普勒原理图

图2 超声多普勒流量计硬件框图

图3 超声波发射匹配驱动电路

2.1 超声波发射匹配电路的设计

超声换能器是一个非线性时变系统，在不同的工作频率下，其阻抗特性以及机械振动特性差别显著。当处于发射工作状态周期时发射匹配电路应调谐于超声波换能器的中心频率下工作，此时换能器耦合输出功率最大，是最佳工作模式。本文选择高速功率MOSFET 驱动器EL7252 作为控制高频发射电路的驱动芯片，驱动超声波换能器发射1MHz 的超声波信号。超声波发射匹配电路如图3 所示。

2.2 超声波接收电路的设计

超声波接收电路的主要目的是将微弱的回波信号进行噪声的抑制以及信号幅值的放大，为AD 采样模块提供清晰可靠的回波信号。超声波多普勒流量计系统设计了基于VCA810 的时变增益放大电路，通过软硬件结合的方式形成闭环控制，实现了对放大系数的动态调整，以保证采样的信号达到系统设定的最低值。确保AD 采样数据的有效性。该部分设计如图4 所示。

3 系统软件设计

μC/OS III（Micro-Controller Operating System Three）是一个可以基于ROM 运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器。μC/OS III 能够充分利用硬件资源，变单一任务为多任务处理模式，避免CPU 空转，充分利用了CPU，有效提高CPU 的利用率。

超声波多普勒流量计系统软件开发基于μC/OS III多任务操作系统实现，软件设计实现了信号的发射及数据的采集与运算，数据的输出存储，现场通信功能，人机操作功能以及具体模块接口函数设计。软件架构如图5所示。在多普勒流量计上电之后，MK60 内核启动，创建各个模块任务函数，完成系统硬件初始化，启动任务切换机制，μC/OS III 系统内部实现就绪任务的切换及响应，从而实现超声波信号发射接收，频移信号处理与流速流量计算，以及人机交互的按键与LCD 显示功能。

图4 时变增益放大电路

图5 超声波多普勒流量计多任务软件框图

4 应用与结论

本文设计的超声多普勒流量计系统，利用高速功率发射驱动电路，在发射模块加强信号的输出，在接收模块设计时变增益系统，按照实际需要对信号进行有控制的放大，保证信号的有效性。软件上μC/OS III 多任务操作系统的应用，有效提高CPU 的工作效率，保证数据的实时性。该检测系统不受被测介质有关参数的影响，能实现高精度宽流量范围的检测，检测精度可达2%。并且外夹式的安装方式，不受管道尺寸的限制，拓宽了应用领域。