从硬件电路设计及频移信号处置惩罚要领刷新转子流量计的性能
，本文针对现在市场上转子多普勒流量计保存的丈量精度低、稳固度差、动态响应慢
，尤其在低流速情形下的误差较大等问题开展了相关研究
，文中主要从硬件电路设计及多普勒频移信号处置惩罚要领两个偏向着手
，提出相识决计划。在系统硬件电路中使用高精度DDS芯片爆发基准信号
，接纳中频解调手艺将频移信号解调到10kHZ
，团结与超声探头相匹配的发射和吸收等电路
，提高了系统丈量的稳固度以及对流速转变的响应速率；在频移信号处置惩罚方面
，接纳复调制频谱细化算法（ZOOM-FFT）对DSP收罗的频移信号举行频谱剖析
，提高了系统在低流速下的丈量准确度。效果批注
，文中所接纳的ZFFT算法关于超声多普勒信号的频率区分率抵达3HZ
，可清晰的区分10HZ的频偏信息
，较FFT算法显着提高了转子流量丈量系统的丈量精度。

    转子流量计是一种非接触式流量计量ca888亚洲城
，它被普遍的应用在石油、化工及一样平常生涯中的方方面面。在转子流量计中多普勒法是其中的主要一种
，它适用于丈量混淆介质流体流量。转子多普勒流量计通常由转子传感器
，转子发射和吸收装置以及信号处置惩罚系统三部分组成。其中
，信号处置惩罚系统是对吸收到的微弱信号举行一系列模拟和数字方法的处置惩罚
，从而剖析出丈量管段中流体的流量。现在
，市场上的转子多普勒流量计产品许多
，它们关于多普勒频移信号的处置惩罚大大都都是接纳模拟滤波、频率转电压、整形计数或者是简朴的傅里叶变换（FFT）等方法。

因此
，它们普遍保存着丈量稳固性差、精度低、动态响应慢等问题
，尤其是在低流速管道流量丈量时
，丈量效果误差较大
，甚至没有参考性。

针对转子流量计保存的上述问题
，本文从硬件电路和信号处置惩罚要领两方面举行了研究。在硬件上对微弱的多普勒回波信号举行了多级放大、滤波、解调等处置惩罚
，从而将回波信号调解在10kHz的频带上
，提高了系统关于流量转变的响应速率。文中使用数字信号处置惩罚器（DSP）对调治后的多普勒频移信号举行模数转换
，将获得的数字序枚举行复调制频谱细化（ZOOM-FFT）运算及响应的数字滤波
，提高了多普勒频移信号的频谱区分率
，从而提高了流量的区分率。

1、转子多普勒流量丈量原理

    声学中
，当声源与视察者相关于媒质运动
，或两者同时相关于媒质运动时
，视察者吸收到的频率与声源发出的频率差别。当声源与视察者之间的距离随时间缩短时吸收到的频率高于声源发出的频率；反之
，吸收到的频率低于声源频率。声源发出的频率与视察者听到的频率之间的频率差称为多普勒频移
，它的巨细取决于两者之间的相对运动速率
，这种征象称为多普勒效应。

    在使用转子多普勒法丈量时
，转子传感器的激励方法主要有两种划分为：单载频脉冲波激励
，一连正弦波激励。本文中接纳一连正弦波信号激励方法
，用一对斜探头笔直对称装置在管道外侧（如图1所示）
，发射探头爆发的一连波超声信号经声楔和管壁进入运动中的流体
，并被随流体一起运动的固体悬浮颗粒、气泡等可以散射转子信号的物质散射而进入吸收探头。通过测定流体中运动粒子散射声波的多普勒频移
，完成流量检测。

转子多普勒流量丈量示意图如图1所示
，转子在被测流体中的撒播速率为c
，u为悬浮颗粒在流体中的流速
，β为转子束在管壁中的入射角
，α为声楔的角度
，f1为转子的发射频率
，f2为接受的转子信号的频率
，Δf为多普勒频移
，其中θ为转子在流体中的撒播偏向角度。

2、多普勒转子流量计硬件系统设计

    多普勒流量计硬件系统主要是完成对转子信号的发射、吸收和相关处置惩罚
，以及对流量计外部装备的控制等
，系统框图如图2所示。本文接纳一对中心频率在640kHz的超声换能器划分作为发射和吸收探头
，使用频率为640kHz的一连正弦波驱动超声发射电路使其在管道中发射转子。吸收端接纳选频放大电路吸收超声回波信号
，再经由解调电路将多普勒频移信号解调到中频10kHZ上。DSP芯片对解调后的信号举行A/D转换
，然后使用选带频谱细化ZOOM-FFT算法准确的获取到多普勒频率偏移量。在进入A/D之前必需经由抗混叠滤波以阻止在模拟输入信号上叠加周期或者非周期的滋扰信号
，从而附加到量化值中
，给有用信号带来一定的滋扰。本文中的DSP芯片选用的是TI公司的TMS320x2812
，它不但完成了上述使命
，还对系统的液晶显示、数据存储、数据通讯等举行了控制。 

    本文设计中发射及解调的基准信号都是通过DDS芯片爆发的
，它可以稳固地输出简单频率的正弦波和方波波形
，从而降低了由于发射信号及解调参考信号频率颤抖关于多普勒频移信号的影响。由于DDS爆发的640kHz正弦波幅度较小、功率较低
，而管道和流体会对超声信号举行衰减
，以是要将DDS爆发的正弦波通过转子信号发射电路举行一定水平的幅度和功率放大。转子信号发射电路尚有一项主要事情就是与超声换能器电学匹配
，只有在匹配情形下换能器才华最大效率的向流体中发射转子。

    由于换能器的发射信号在经由传感器和管道、介质等的衰减之后
，抵达吸收端是一个微弱信号
，而此微弱信号中包括着流体流动的信息
，以是回波吸收电路的优劣关于流量计的性能有着主要的影响。本文所设计的回波信号吸收电路包括两部分
，选频放大电路和低噪声前置放大电路。选频放大电路对吸收探头吸收的微弱信号举行一定水平的频率选择和放大
，滤除发射频率一定规模外的噪声
，并且在不凌驾解调电路允许的电压规模内提高信号的幅度
，以利于后期信号处置惩罚。低噪声前置放大电路对吸收到的超声回波信号举行二次放大
，同时将吸收到的信号转换成差分信号输出
，以知足解调电路对信号幅度等的要求。

    在接纳频谱剖析手艺盘算多普勒频移时
，若是直接对吸收到的高频信号举行频谱剖析会保存两方面的问题：（1）需要较高的采样率；（2）频率区分率在高采样率的情形下
，要获得较高的频率区分率需要采样点数足够大
，对存储空间的要求较高且盘算量大[7]。以是本设计将回波信号先举行解调
，然后再举行频谱剖析。关于信号解调
，通常都是将信号解调到直流0Hz上
，但这样易受电源及其他低频噪声的滋扰
，使频谱剖析出来的效果不可准确表征管道内的流体流动。将信号解调到0Hz上尚有一个问题
，那就是在低流速情形下
，要准确剖析出多普勒频移量就要延伸信号收罗时间
，从而降低了系统的动态响应。因此
，本设计接纳了外差法举行解调
，它是通过将回波信号与一个非载波频率信号（设计中接纳2.52MHz的方波信号
，经由解调芯片内部的4分频后为630kHz）举行相关解调
，将信号解调到10kHz
，从而将多普勒频移解调在差频信号上
，这样就获得了一个包括流体流动的流速信息和偏向信息的低频信号。

    解调后的信号需要经由调理后才华进入DSP的ADC？。信号调理主要是对解调芯片的输出信号举行电流电压转换、低通滤波以及信号抬升
，以知足后续信号处置惩罚的要求。

3多普勒频移信号处置惩罚要领

    在转子多普勒流量丈量手艺中
，多普勒频移信号处置惩罚要领直接影响着丈量系统的性能。现有多普勒流量计产品中
，关于频移信号的处置惩罚要领大致分为整形计数、频率转电压和频谱剖析三类
，总体来说
，前两种要领在系统稳固性、丈量准确度等方面都不如频谱剖析法。频谱剖析能够展现多普勒频移信号的特征和动态信息
，频谱剖析法分为古板的傅立叶频谱剖析法和现代谱预计法
，现在市场上的超声流量计产品基本上都是接纳傅里叶频谱剖析法（FFT）
，此要领较适用于周期平稳信号
，是一种忽略局部信息转变的全局剖析要领。在多普勒流量丈量中
，频移信号是一个麋集型频谱信号
，为准确盘算出管道内流体流速（尤其在低流速情形下）
，就必需提高信号的频谱区分率。在接纳FFT举行频谱剖析时
，由于频率区分率为Δf=fs/N以是只能通过降低采样速率和增添采样点数来实现了
，但这样将会增大微处置惩罚器的盘算量
，影响系统的动态响应。本文接纳复调制频谱细化要领（ZOOM-FFT）对多普勒频移信号举行处置惩罚
，它是一种更为有用的动态信号剖析要领
，ZOOM-FFT法不管从区分率、盘算量、实时性等方面都显着优于古板傅里叶频谱剖析法。

3.1ZOOM-FFT频谱细化算法

    复调制ZOOM-FFT算法能以指定的、足够高的采样频率剖析恣意频段内信号的频谱结构。在序列变换点数相同的情形下
，ZOOM-FFT能获得更高的频率区分率
，在相同的频率区分率下
，它比基带FFT需要更少的傅立叶变换点数
，因此ZOOM-FFT很是适用于要求大频率剖析规模、高频率区分率和少变换点数的场合。

    模拟信号x（t）
，经由抗混叠滤波之后举行A/D收罗获得时间采样序列x（n）
，fs为采样频率
，fe为需要细化的中心频率
，细化倍数为D。复剖析带通滤波器的带通宽度为fs/D,隔D点选抽一点
，移频和做N点谱剖析
，频带（fl~f2）用N条自力谱线体现。详细算法的实现办法如下:

    （1）复调制移频;所谓复调制移频就是对原始信号的频域举行向左或向右的搬移
，凭证离散傅立叶变换的频移性子
，x.（n）为A/D收罗后的离散信号
，

    （2）低通滤波；复调制频移之后
，为了阻止后续重采样后的信号爆发频率混叠
，通过低通滤波将包括中心频率和多普勒频移信号有用频段信息保存下来
，需要确定细化倍数D
，并且设置低通滤波器的阻止频率为fs/2D
，低通后的输出用式Y（K）=X（K）H（K）体现
，H（K）体现理想低通滤波器的频率响应
，在时域则通过下式体现：

3.2算法的仿真与验证

    关于木系统中解调后获得的10kHz中频上的信号
，选择中心频率为10KIIZ
，采样频率为50KHZ
，举行4096点的FFT和ZFFT算法举行仿真较量。图4体现直接举行4096点的FFT频谱图;图5为举行细化倍数D=4,fft点数为4096的细化后的频谱。

    由于频偏因素与中心频率之间的频率距离为100HZ
，通过图5可看出
，直接举行FFT显然很难区分出中心频率和频率偏移
，它的频谱区分率为fs/N=12HZ
，通过调解细化倍数mD2=

（细化倍数为2的整数倍）来改变频谱区分率
，细化4倍后频谱区分率可抵达3HZ
，通过比照可得出
，ZOOM-FFT算法不但频谱区分率获得了提高
，并且算法的稳固性好
，能够有

    效的提高信号检测的准确性。在超声多普勒流量计的研制中
，局部频谱细化的应用有利于后期谱峰搜索规模的减小及盘算流速的准确性。

4竣事语

    在研究了转子多普勒流量丈量理论的基础上
，针对现在多普勒转子流量计保存的稳固性差、迅速度低、丈量误差大等问题
，本文从硬件电路设计和信号处置惩罚要领两方面刷新了多普勒流量计的性能。主要的刷新包括：

    （1）接纳先进的DDS芯片爆发超声发射电路及解调电路中的基准信号。DDS芯片输出具有高精度、高稳固度的特点
，它可以很好的解决由于温度等转变引起的基准信号颤抖
，降低了基准信号转变关于多普勒频移信号的影响。

    （2）中频解调手艺。通过解调芯片将多普勒频移信号解调在10kHz的频带上
，提高了在频谱剖析点数一定的情形时系统的迅速度。

    （3）在DSP芯片中使用复调制频谱细化算法（ZOOM-FFT）对多普勒频移信号举行频谱剖析。ZOOM-FFT算法有用地提高多普勒频移信号的频率区分率
，并减小了DSP的盘算量
，解决了多普勒流量丈量系统的丈量准确度及低流速情形下的丈量准确性。