，超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器; 1 引言
超声多普勒流量计是应用声波在流体中传播的多普勒效应研制成的流量测试装配。该装配安装于被测管道的外侧，不接触被测流体，不干扰流体的流动，无压力损掉，维修便利，特别实用于有毒、有害、有腐化性和带有磨料的液体。该装配分辨率高，对流速变更响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等身分不敏感，没有零点飘移问题。是以，该类仪表在流量测量、企业治理及流量监测与控制中具有广阔的应用前景。今朝，超声多普勒流量计仍处在赓续完美的过程中，尽管国表里已经出现了一些不合情势的多普勒流量计，其测量精度受到必定的限制。
2 道理
固然多普勒超声波流量计的精度受多方面的影响，但个中有一重要影响是多普勒频移数值的估计，年夜部分流量计仍应用过零检测法，精度不高。超声多普勒旌旗灯号是年夜量颗粒及气泡的背向散射形成的，并且多普勒旌旗灯号是分布在发射频率邻近的窄带旌旗灯号，根据统计理论得出平均速度与该窄带旌旗灯号的平均频率之间具有较为固定的关系，从而可以将对流速度的估计转换为对多普勒旌旗灯号平均频率的估计，如今存在的平均频率估计办法有旌旗灯号过零检测法，频谱分析法，锁相环路法等，这些办法在实现的复杂性和测量精度方面各有优缺点，个中，过零检测法因为其实现简单应用较为广泛，然则精度不高，并且在理论上存在最年夜为15%的误差。
测流体的流量实际上只要测得流体的流速即可，而流速是由测量多普勒频移获得的：
（1）
公式中Us为流速，C为声速，θ为超声波传播偏向与流体活动偏向的夹角。f1和f2分别为发射波和反射波的频率，（f2-f1）视为频移。因为反射波不是单一波，而是不合距离上反射波的集合。所以很难用简单的办法求得f2。后来提出用多普勒功率谱求多普勒频移：
p（f）为功率谱；为平均频移。式（2）是一个模仿量关系式；现代仪器设备都朝着数字化偏向成长，即应用频谱分析的办法，即经由过程数字采样获得旌旗灯号数据，再经由过程数值运算实现（2）式，因为式（2）源于平均频率的定义。所所以最好的平均频率估计办法，但因为须要计算量年夜，实施难度年夜，现因为DSP技巧的提升，使此问题获得解决，在此评论辩论经由过程TMS32024X系列DSP来实现多谱勒流量测量的频谱分析办法。
3 离散化模型的建立
多普勒旌旗灯号功率密度与相干函数是一对傅立叶变换：
个中相干函数
实际采集到的为实旌旗灯号，相干等于卷积。根据傅立叶变换的性质：
在数字域中，由离散时光傅立叶变换（DTFT）式（6）可变为：
在时域的必定区间采样，将模仿旌旗灯号变为数字旌旗灯号（序列），然落后行DTF
代入式（3），则对于离散旌旗灯号（x（n）序列），有：
由式（9），式（2）可离散化成：
由P（f）即可求得平均频移。
4 硬件电路
本体系以TMS320F240DSP为核心，负责全部体系的调控和数据处理。全部体系的硬件构造可分为超声波发射部分，超声波接收部分及数字处理部分，发射探头发射已知的固定频率的自力的超声波旌旗灯号，在此超声波频率为500KHz。接收探头Y1负责接收含有流体的流速信息的超声波；接收到的超声波旌旗灯号被前置放年夜电路、带通滤波器放年夜器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模仿多普勒旌旗灯号，再由TMS320F240DSP处理器内部的10位A/D转换器进行采样得履新频旌旗灯号的离散数据，然落后行频谱分析，计算出平均频率，从而获得流速值。
，烟气分析仪广泛适用于各种工业燃烧设备的维护与监测; 4.1 接收旌旗灯号放年夜电路
接收旌旗灯号放年夜电路如图1。
TLE2072单位增益带宽可达10MHz，能知足旌旗灯号放年夜带宽的请求，热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点，电路中起到前置放年夜及阻抗变换的感化。MC1350为可控增益选频放年夜器，中频变压器T1谐振频率为500KHz，对旌旗灯号起带通滤波的感化。输出旌旗灯号经u8半波放年夜后，由U8、C40滤波形成MC1350增益控制电压。从而使输入旌旗灯号强度在较年夜范围内变更时获得一稳定的输出旌旗灯号，此电路可使输入旌旗灯号的波动范围达60dB时输出保持稳定，包管体系的稳定工作。
4.2 差频旌旗灯号解调电路
接收旌旗灯号放年夜电路输出的旌旗灯号相对于发射旌旗灯号产生了频移。此频移在0-3KHz范围，反应流体的流速年夜小，因为此频移相对于发射旌旗灯号频率较小，直接进行频率测量精度难以包管，所以采取混频办法得履新频旌旗灯号，道理见图2 差频旌旗灯号解调电路。含有差频信息的高频旌旗灯号经由过程CD4053模仿开关与发射旌旗灯号的本振方波（CP500K）进行乘积运算，经U10阻抗变换后应用阻容滤波器进行低通滤波得履新频旌旗灯号。
4.3 数字处理部分
差频旌旗灯号被送入TMS320F240的模/数（A/D）转换器进行模数转换。TMS320F240内部准时中断子法度榜样进行数据采样，采集的数据送入环形数据缓冲区内，然后TMS320F240对采样数据进行加窗处理、FFT变更求其功率谱、计算频率偏移平均值，再根据输入的仪表参数进行流速、流量、累计流量等所须要的数据量的计算。
数字体系部分以DSP（TMS320F240）为核心，包含键盘、液晶显示器、电流输出、数据存储以及JTAG接口功能子模块。数字体系是全部仪表的核心，负责全部体系的控制工作和数字旌旗灯号的处理，完成多普勒频移和流量等数据的计算和处理。并经由过程人机接口读取响应的敕令，对仪表参数进行现场设置。并及时显示测量成果。
5 FFT运算
平均频率值得计算重要依附于旌旗灯号功率谱的计算，只要获得旌旗灯号功率谱或旌旗灯号频谱幅值的平方就可依（10）式求得平均频率。而频谱的计算可以经由过程快速付立叶变换（FFT）获得。FFT运算一般由DSP实现。但FFT算法法度榜样的编写调试费时辛苦。为此TI公司供给了以TMS320F24X系列芯片为基本的FFT库函数，可在网站高低载，经应用证实FFT函数库应用便利、速度快、运行靠得住、功能周全，为在TMS320F24X系列长进行FFT运算供给了极年夜的便利。
6 实验
流量测量体系实验成果见表1。在标定实验室的清水管道中参加少量气泡作为超声旌旗灯号的反射介质，流量真值采取容积法测出，实验成果照样令人知足的。
表1 实验成果（管径200mm）
容积法流量（m3/h）
113.03
167.81
226.70
335.53
458.56
564.21
673.45
超声流量（m3/h）
110.43
165.29
224.66
337.88
464.06
560.82
676.14
误差%
-2.3
-1.5
-0.9
0.7
1.2
-0.6
0.4
7 结论
经由过程应用频谱分析法测量多谱勒流量测量频移，清除了理论上的误差.同时应用FFT函数库使频谱分析工作变得简单靠得住，使DSP在频谱分析上的应用更便捷，使测量成果更精确。
参考文献：
[1] Jese Carloss et al.Nonstationarity Broadening Reduction in Pulsed Doppler Spectrum Measurements Using Time Frequency Estimators.IEEE.Trans.BME 1996 43（12）.
[2] Bredy W.R. et a1.Theoretical Analysis of the CW Doppler Ultrasonic Flowmeter.IEEE.Trans.BME.1974，12（3）：183-192.
[3] Kjell Kristonfersen. Time Domain Estimation of the Center Frequency and Spread of Doppler Spectra in Diagnostic Ultrasound.IEEE.Trans.On UFFC35（4）1988（7）：484-497