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1、西安石油大学本科毕业设计（论文）超声波流量计（信号处理）摘 要：超声多普勒流量计主要用于污水类非纯净液体和混有固体颗粒的两相流的流量测量,其优点是:分辨率高,对流速变化响应快;对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感。但就当前测量水平来说,其精度及其它性能都有待于进一步提高,因此,超声多普勒流量计的研究无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说,都将是一项极有意义的研究课题。本课题设计的超声多普勒流量计引入先进的数字信号处理技术,在频域上对多普勒信号进行有效的处理,主要处理技术是以快速傅里叶(FFT)变换为基础的周期图法和峰值逼近算法。具体方法是首先对多普勒频移信号进行采样,再进行FFT变
2、换,进而得到该信号的功率谱,在功率谱上应用峰值频率的逼近算法,加上适当的数字滤波技术,从而得到频移信号所对应的频率,在此基础上,根据多普勒效应原理,求取管道中流体流速及其它数据量。以MATLAB 为分析工具对超声波多普勒流量计信号处理方法进研究,并对可行的数据处理组合方式效果进行分析,为该类流量计的软件设计提了新供的思路。关键词：多普勒；流量计；FFT；峰值逼近；MATLAB The signal processing of ultrasonic flowmeter Abstract:Ultrasonic Doppler flowmeters are mainly applied to mea
3、sure flux of sewage or other liquid with solid grain. They are of high resolving power ,and can respond quickly with the variety of velocity.Moreover,they are insensitive to the pressure and temperature of liquid.But now,technique in this field will be improved,so the task is significative not only
4、to automatic measurement but to environment protection. Hardware and software of Ultrasonic Doppler flowmeters are designed in this paper.Digital signal processing is introduced to analyzed Doppler signal,for example ,FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain,and the
5、n the algorithm of approaching peak value is put into practice.After this,filter software is in use.Thus Doppler frequency shift is obtained.According to Doppler effect,velocity and flux can be calculated. This paper investigates Ultrasonic Doppler flowmeters signal processing methods through the so
6、ftware of Matlaband analyzses the effects of possible combination of data-processing methods.Above all,the new ideas are provided for flowmeters software design.Key words: Doppler Flowmeter；FFT；Approaching peak value；MATLAB 目 录 1 绪论11.1 超声波流量计简介11.2 多普勒超声波流量计的发展21.3 课题研究的意义22 多普勒超声波流量计测量原理42.1 多普勒效应
7、42.2 多普勒超声波流量计的工作原理以及模型62.2.1 工作原理62.2.2 多普勒超声波流量计的测量模型72.3 超声波流量计的系统硬件实现72.3.1 系统硬件总体方案72.3.2 超声波流量计信号处理部分的电路介绍93 超声波流量计的信号处理133.1 超声波信号处理模块133.2 信号处理模块涉及到的理论知识133.2.1 快速傅里叶变换（FFT）原理133.2.2 低通滤波器173.2.3 采样频率的选取194 仿真实现204.1 仿真MATLAB软件的介绍204.2 基于MATLAB中对信号进行处理的流程224.2.1 对信号进行滤波234.2.2 基于MATLAB对信号进行F
8、FT254.2.3 找出相应的频偏值并计算出流体流速265 结论28致谢29参考文献30附录31 1 绪论1.1 超声波流量计简介 频率高出人耳可以听到的频率极限（大小超过20KHZ的频段）的弹性振动，这种振动通过波动的方式在介质中的传播过程就形成了超声波。适用于流量测量的超声波技术的原理是：超声波换能器发出的超声波通过某一入射角度进入到被测流体中，在被测流体中超声波就载有流体的流速信息，通过使用接收到的超声波信号就能对流体的流速和流量进行测量。超声波流量计的结构设计简单，压力损耗小，并且使用方便，所以得到了广泛的使用。和其他种类的超声波流量计，例如涡街流量计、质量流量计、差压流量计、电磁流量
9、计等流量计相比较。超声波流量计就有以下几个优点：l 它通过非接触式的测量方法，在管道外壁上安装换能器，这样就可以不干扰到流场，无压力损耗，是一种比较理想的测流体流量流速的仪表。l 多样的换能器形式，这样就可以应用于不同的场合，除过可以用于测量石油、水等的一般导声的流体以外，也可以用来测量高压、高温、非导电、易爆、强腐蚀以及具有放射性等特点的导声流体。l 测量的口径范围大，一般大小为0.5-5m,有的时候可以达到10m,而且造价与口径的大小无关。l 它的通用性好，在可测量的口径的范围内，同样一台流量计可以测量任何不同口径类型的管道。l 没有可动部件，无磨损，它的使用寿命长，重量比较轻。l 它的安
10、装和维修比较方便，不需要专用的阀门等，也不用中断流体的流动，不影响生产流程。人们对于超声波流量计的研究已经有了数十年的历史了，在20世纪50年代末期，超声波流量计正式由理论研究阶段进入了工业应用。进入70年代后，因为集成电路技术的迅速发展，高稳定性、高性能的锁相技术的应用，使得实用超声波流量计得到了迅速的发展。 依据信号检测原理，超声波流量计的非接触测量方法可以分为：多普勒法、传播速度差法、波动超声法和波速偏移法等不同类型。其中的传播速度差法又分为相差法、时差法和相差法。目前。多普勒和时差法被广泛的使用。时差法是通过测量超声波顺流和逆流传播时的时间差来计算流速的。早期使用的是单声道工作方式，后
11、来开始使用多声道工作方式，这不仅降低了仪表对流速断面的敏感性，而且同时也提高了精度。但是同时相应的复杂度就增加了。时差法刚开始发展的时候，超声波的发射波是窄声带的，一般来说只适用洁净的单相被测液体。但是窄声带的声束发射有接收信号强度较弱的问题。多普勒法是利用声学多普勒原理， 来测量不均匀流体中散射的超声波多普勒频移来计算流体的流量。1.2 多普勒超声波流量计的发展在过去的几十年中多普勒超声波流量测量技术得不到发展，进入到80年代以后， 随着能源和环境等问题的提出, 在流量测量领域内许多新的复杂而困难的课题接踵而至, 原有仪表在一些特殊复杂的测量对象中难以适应。就出现了超声波流量计。正是由于超声
12、波流量计可以实现非接触测量, 特别对于大口径、腐蚀性介质、易爆及带有强放射性介质的测量尤为优越。同时, 对小流量和粘液、非导电介质的测量也不受限制。随着电子技术的飞跃发展,锁时技术和微处理器应用于超声波流量计之后,面貌为之一新, 性能大大提高, 应用范围日趋扩大。多普勒超声波流量计的主要应用领域有：u 包含具体颗粒的两相流流量的测量，例如工业污水、矿浆、城市污水等等；u 用于准确度要求不高，但是要求重复性好的场合，例如装在泵上作为泵的保护装置，或者是作为流量开关；u 有毒和腐蚀性的液体或者食品工业中卫生要求高的流体流量的测量；u 用于粗大的圆形管道或者矩形管道，而且在原理上不受管道口径的限制，
13、并且其造价基本与管道口径无关。1.3 课题研究的意义多普勒超声波流量计除过具有非接触式的流量计的一般特点外，它突出的特点有：高的分辨率，对流体流速的变化响应比较快；对流体的粘度、温度、压力、密度及导电率等多种因素不敏感，没有零点漂移等问题；重复性好；价格比较便宜。但它也有自己的缺点，它的缺点在于：流体流量测量的精度除了取决于超声波的发射频率外，流体中发射颗粒的浓度、性质、粒径大小、流速分布以及粒子的分布等因素的变化对流体流量的测量都有影响。管道的振动也是多普勒流量计测量误差的一个来源。除了利用信号处理电路来降低误差以外，软件上数字信号处理技术的使用提高了测量精度。FFT（快速傅里叶变换）谱分析
14、技术的应用，完成了多普勒流量测量的真正意义上的进步。使用FFT方法来分析超声波的反射波波普，就可以分辨出哪个是干扰噪声的频率，哪个才是有被测流体的流速信号产生的。这就大大增强了多普勒超声波流量计对各种信号频率的分辨能力。本课题的目的是讲FFT数字信号处理技术应用于多普勒超声波流量计的设计中，使超声波流量计的设计更加完美。这是在超声波流量计领域的一项领先技术。选择这个课题，对于国民经济的发展具有实际使用的意义，尤其是多普勒超声波流量计主要是用于测量污水和腐蚀性的液体。所以，本课题的研究对于环保事业来说意义重大。 2 多普勒超声波流量计测量原理 2.1 多普勒效应 由于观察者或者波源的运动引起的观
15、测频率和波源的频率不同的现象称为多普勒效应，这是多普勒在1824年发现的。后来在现在的科学技术中得到了广泛的应用。声源相对于静止的观察者运动情况下推导出的多普勒公式： 图2-1 声源运动，观察者相对静止 如上图2-1-1，P为观察者，处于静止状态，振动频率为f的声源Q以速度u沿着X轴正向运动。设声源到R1时的声振动要经过t1时间后被观察者接收到，经过短时间t声源到达R2，这里的声振动需要时间t2后观察者收到信号。假如设声速为c,R1P=1 ,R2P=2 ,那么就有: t1=1/c t2=2/c ， （2-1）从R2向R1P做垂直线相交R2P于点A,因为所取的时间t很短，所以有： 1 -2=R1A=utcos , (2-2）其中为
