基于湍流振动的声呐流量计的研究

李云龙

（丹东源声中科电子有限公司，辽宁 丹东 118002）

流量是工业生产过程中的重要参数，流量测量数据是企业进行生产自动化控制、进行经济核算的重要依据。随着工业检测领域对流量检测仪表的性能要求越来越高，现有产品不能完全适应复杂的管道流体应用环境，声呐检测技术的发展，研发高可靠性、高精确性的声呐在线流量计，成为市场的迫切需求。

声呐流量计的测量原理是通过对管中湍流边界层产生的脉动信号进行测量和信号处理后得到管中流体流动的流速，进而得到流量。声呐流量计采用PVDF压电薄膜传感器实现非接触式测量，其流量测量准确度几乎不受测量介质的压力、浓密度、温度等参数的影响，同时该测量方式可解决其它流量仪表所难以测量的易结垢、非导电性、强腐蚀、易燃易爆及介放射性介质的流量测量问题。

1 工作原理

根据MUSIC算法基本原理，信号协方差矩阵为：

将R进行特征值分解，得R = [U]Σ[U]H，其

xx xx中矩阵Σ为特征值对角阵，矩阵[U]为特征向量矩阵，包括信号特征向量矩阵[Us]和噪声特征向量矩阵[UN]。故有空间谱函：

寻找波数k使得空间谱函数取最大值，以中心频率6.329Hz为例：

特征分解后得到特征向量矩阵和特征值对角阵为：

可见第一特征值远小于第二和第三特征值，故第一特征值为噪声特征值，其第一特征向量为噪声特征向量，即：

从而可以计算空间谱随波数k的变化情况， 对所选频率范围内进行相同的算法处理，可以得到对应不同频率的PMUSIC的值，将其画在波数频率图上，即可得到三维的能量谱图。湍流脉动的能量是对应特定空间波数和时间频率的函数。湍流的脉动流速与管中平均流速大致接近（大约为平均流速的90%左右，与流速、管径等参数有关），该流速与空间频率时间频率之间存在如下关系：

由此公式可知，对图中能量集中的对流脊区域进行识别，得到其斜率，即可得到湍流的脉动流速，经过进一步的校准，就可以得到管中流速。

2 产品设计

基于湍流振动的声呐流量计可以分为两部分，一部分为流量计测量终端，主要由传感器阵带以及前置放大器组成。此终端通过耦合于管壁外侧的传感器阵带的各个阵元测量得到时域湍流脉动信号，经过前置放大器将各通道的模拟信号放大传输到的后端的流量处理系统中。一部分为含气率测量终端，通过置于管壁上的流体压强和温度传感器测量得到流体的压强和温度，输入到流体含气率处理模块用于计算得到流体体积含气率。流量测量终端分析示意图如图1所示。

图1 声呐流量计流量测量终端分析示意图

流量计处理主控系统负责完成信号调理、信号采集、信号处理、结果输出功能。信号调理单元以可变增益放大器组合为核心，前端设计有抗混叠滤波器；信号采集单元须完成8路音频模拟信号采集。由FPGA控制协同8路传感器信号的同步采集，实现快速的实时性要求，因为工艺管道中流体流速很快。信号处理单元采用DSP阵列算法对采集到数据进行处理，通过专有编制的流量算法模型实现流量结果输出。流量历史数据存储（USB接口读取方式）、数据远程通讯（以太网接口）、与主控系统通讯（以太网接口）、键盘显示控制、模拟/数字信号输出（Modbus/RTU RS-485/232通讯）等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成。

阵列传感器由8个压电薄膜传感器组成，将8个PVDF压电薄膜分别粘贴在8条不锈钢带上，制作成传感器带。每条不锈钢带间隔相同的距离，目前不锈钢带的间隔均是50mm，厚度为0.05mm。传感器带两端用夹具固定，然后将传感器带安装在包裹有防静电薄膜的管道上，通过螺栓和弹簧将传感器带紧紧包裹固定在管道圆周方向上。弹簧的主要作用是使得各条PVDF压电薄膜受力均匀，防止受力不均对实验结果有影响。整个传感器阵列外面需要用金属材料进行严密的包裹以防止环境中的电磁干扰。

低噪声前置放大系统是对应变测量阵列传感器检测到的管壁外侧微小应变响应微弱电信号进行预处理，内容包括通道开启选择、固定增益放大、模拟带通滤波器组、自动增益放大、板载微控制器通讯功能等。该系统需采用低噪声器件，多层电路板设计以强化提高该系统抗干扰能力和降低噪声。同时该系统还有通道选择、自动增益、内核微控制器、板级通讯等单元模块。

3 信号处理及算法实现

对于经过传感器被动采集和前端放大的信号，后续需要经过信号调理和处理得到相应流速数据并获得取值在精度范围内的流量数据。8通道应变测量传感器获得的湍流振动信号经过滤波器完成滤波后进入模数转换器（ADC）转换为数字信号，即完成数字信号采集。然后经过适当数据采集调理，转换为8通道时域信号。此信号包含管壁外的形变的时域信号的空间分布，即S(t,n)，经过二维傅里叶变换变换到频率-波数域S(ω,k)，得到离散傅里叶频域信号，通过数据累加器形成单一的二维频率-波数域信号。此信号需要输入微型处理芯片进行DSP处理，这一部分DSP属于阵列处理单元模块，由阵列处理器和对流脊识别器组成，通过数字处理器的处理算法得到二维频率-波数域信号S(ω,k)中对流脊(Convective Ridge)的斜率，由之前的原理可知此斜率为流动流体速度截面的均值。即v=ω/k，从阵列处理单元的信号处理中可以得到流体中的声速信号。计算得到的流速速率输入到分析器进行流速校准并进行积分运算得到整体流体体积流量数据，并实时显示在人机界面上。在另一路传感器信号上，由管壁上的流体压强、温度传感器接收到的压强温度信息输入到含气率处理单元中，连同阵列处理单元中的液体声速值分析得到流体中的气体含量体积比。

4 结语

从理论提出到实践应用，声呐流量计已经历了多年的发展历程，其产品的商业化程度越来越高，潜在的市场需求也越来越大。基于湍流振动的声呐流量计在流量检测精确度和可靠性方面的专有技术优势，可以迅速替代常规流量检测仪表，其安全可靠，体积小，操作维护方便，成本低廉，具有良好的推广应用价值。