李云龙
(丹东东方测控技术股份有限公司，丹东118002)
摘要：介绍了一种非接触式流量测量系统 声呐流量计，其具有精度高㊁量程大㊁安装方便㊁适应性好㊁使用寿命长等特点㊂声呐流量计分为两部分：一部分为流量计测量终端，主要由传感器阵列和前置放大器组成，此终端通过耦合于管壁外侧传感器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后端的流量处理系统中；另一部分为主控系统，主要完成信号调理㊁信号采集㊁信号处理㊁结果输出功能㊂整个系统以实用㊁稳定㊁可靠为最终设计目标，在保证实现基本功能的基础上，尽量优化硬件设计和软件设计，降低系统成本㊂ 关键词：声呐流量计；传感器阵列；湍流脉动信号
中图分类号:T N93文献标识码:A
A p p l i c a t i o n S y s t e m D e s i g n o f S o n a r F l o w m e t e r
B a s e d o n P i e z o E l e c t r i c S e n s o r A r r a y
L i Y u n l o n g
(D a n d o n g D o n g f a n g M e a s u r e m e n t&C o n t r o l T e c h n o l o g y C o.,L t d.,D a n d o n g118002,C h i n a)
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K e y w o r d s:s o n a r f l o w m e t e r;s e n s o r a r r a y;t u r b u l e n t f l u c t u a t i o n s i g n a l
引言
流量计是工业生产中必须检测的四大工艺测量参数之一，关系到生产过程的质量与安全㊂在工业现场应用的流量检测仪表不仅应用环境复杂多变，而且对其应用的可靠性和精确性要求也越来越高，既要满足工业工艺生产安全需求，又要满足工艺生产过程质量和计量需求㊂目前流量检测仪表按照原理有差压式㊁容积式㊁涡街式㊁电磁式以及超声时差法和多普勒频移法等，上述原理的流量检测仪表存在各种各样的问题，难以适应复杂多变的工业现场，例如流体不满管㊁高粉尘环境等㊂声呐流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度㊁压力㊁粘度㊁密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其他类型仪表所难以测量的强腐蚀性㊁非导电性㊁放射性及易燃易爆介质的流量测量问题㊂
本文详细介绍了声呐流量计的基本原理和实现方法,
在系统设计中，高度重视系统的稳定性：在硬件电路设计时采用复位电路保证系统的正常运行，对于电路中存在的相关干扰也采取了相应的措施㊂在软件设计时，采用温度补偿㊁二维傅里叶变换变换等方法尽量减小误差，提高系统的测量精度㊂
1工作原理
研究表明，流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式，故压力是流体与管壁传递能量的主要形式㊂流体在管道中流动时会产生湍流，通过传感器阵列采集湍流涡团的脉动信息可以计算出涡团的流速，而涡团的流速即为流体的流速，从而通过流速得到流量㊂阵列信号采集处理图如图1所示㊂
但由于时域信号噪声较大，直接计算会出现比较大的误差，因此将各个阵元检测的时域信号适当变换，从时域变换到波数频率域(即空间)，得到信号的三维频谱
图1 阵列信号采集处理图
图，通过提取出频谱图中对流脊的斜率，可以准确地得到管道中流体的流速㊂k ω空间信号的三维频谱图如图2
所示
㊂
图2 k ω空间信号的三维频谱图
图4 数字电路总体框图
相对于其他测量方法无法精确测量的流体，如多相流㊁组分比不均的固液混合流体等，这种测量原理具有无可比拟的优势，并且还能确保很高的测量精度㊂
2 产品设计
2.1 主控系统
流量计主控系统负责完成信号调理㊁信号采集㊁信号处理㊁结果输出功能㊂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
F P
G A 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；信号处理单元采用D S P 阵列算法对采集到数据进行处理，通过专有编制的
制礼作乐流量算法模型实现流量结果输出；以太网通信㊁键盘显示
控制㊁模拟/数字信号输出(M o d b u s /R T U R S 485/232
通信)等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成㊂
主控系统软件操作系统选择基于L i n u x 的操作系统,
其优点在于：内核开放，能够自主进行各种函数和库的调用和编译；不涉及到软件任何知识产权的侵权问题;L i n u x
属于更新比较快的主流操作系统，其内核更新后可实现快速编译更新等㊂
基于A R M 的微机控制子系统物理模块如图3所示㊂
C P U 用于控制数据读取存储和运算，并控制输入输出设备I /O 模块，通过U S B 接口与数据处理模块F P G A /
D S P 系统连接
㊂
图3 基于A R M 的微机控制子系统
数字电路总体功能框图如图4所示,A /D ㊁D /A 芯片
均采用双通道处理处理芯片，通过F P G A+D S P 进行数据处理㊂数字电路与微机控制系统通过U S B 接口芯片进行控制信息通信㊂F P G A+D S P 模块中包含阵列处理算法框图，传感器阵列数据经过转换输入进行变换和识别处理，并进行精度修正处理得出相应流速数据，通过U S B 接口和C P U 通信进行历史数据叠加,
得到总体流量信息㊂
2.2 P V D F 阵列传感器
2.2.1 P V D F 压电薄膜的压电方程
当P V D F 压电薄膜被施加外力时,
由于晶体内部的不对称性，正负电荷的中心开始偏移，它的上下两个表面会产生极性相反㊁大小相等的电荷，这种现象称为压电效应㊂当作为传感器时,P V D F 将外界的力学量转化成电
信号输出，压电薄膜满足第一类压电方程:
D =d 31σ1 其中,D 为电位移矢量,d 31为薄膜的压电常数,σ1为薄膜所受管周方向的应力㊂
2.2.2 传感器的设计和制作
阵列传感器由8个压电薄膜传感器组成，将8个
P V D F 压电薄膜分别粘贴在8条长铜片上，制作成传感器带㊂每条铜片间隔距离为80mm ，铜片厚度为0.1mm ㊂
三聚氰胺
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㊂弹簧的主要作用是使得各条
P V D F 压电薄膜受力均匀,
防止受力不均对实验结果有影响㊂用扭力扳手以一定的力安装好传感器带之后，将8对传感器电极引线分别与前置放大电路的电缆连接，通过电缆将传感器的电信号接入前置放大电路中㊂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㊂
图5所示为实验中所用到的铜片和压电薄膜㊂铜片
两头较中间部分宽，压电薄膜粘贴在中间部分㊂当铜片两端受到拉力作用时，中间受到的应力要比两端部分大，这样压电薄膜能够更好地紧紧贴在铜片上，更好地采集湍流信号㊂同时为了防止应力集中使得铜片断裂，在由两端向中间过渡的部分设计成圆弧㊂注意压电薄膜粘贴在铜片上时，要保持铜片干净㊂
图6所示为防静电薄膜㊂在传感器带安装到管道上之前，需要在管道上包裹一层防静电薄膜，它主要起到绝缘作用，同时能让传感器带与管道尽可能光滑地接触在一起㊂管道不光滑会导致传感器带不能与管道充分接触，甚至会破坏传感器带㊂防静电薄膜的材料是一般的聚氯乙烯或聚乙烯材料
㊂
图5
铜片和压电薄膜图6 静电薄膜
图7所示为传感器带效果图,8个传感器被螺栓和弹
簧等间距地固定在管道圆周方向上㊂压电薄膜粘贴的位
置要一致㊂传感器外部用金属外壳封装好，外壳起到电磁屏蔽的作用，如图8所示
㊂
图7
安装后的传感器带效果图图8 传感器整体效果图
2.3 信号处理主控系统
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，进而获得取值在精度范围内的流量数据㊂后续的功能及物理信号处理模块如图9所示
㊂
图9 声呐流量计信号处理及实现系统
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/数转换器转换为数字信号，即完成数字信号采集㊂然后经过适当数据采集调理，转换为8通道时域信号㊂此信号包含管壁外形变的时域信号的空间分布，即S (t ,n二硫化碳毒性
)，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㊂此信号需要输入微型处理芯片进行D S P 处理，这一部分D S P 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㊂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㊂在另一路传感器信号上，由管壁上的流体压强㊁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㊂
3 仪表测试及数据分析
声呐流流量计采用标准表法确定检测精度，试验装置如图10所示，将声呐流量计安装到对应的试验管路上，启动水循环系统，调整泵的频率㊁调节阀开度㊁介质流速及管线内压力，调节到检定流量并保持稳定，使液体流经声呐流量计和电磁流量计，比较两者的输出流量值，从而确定声呐流量计的计量准确度和重复性㊂试验要求在1.0~4.0m /s 的流速测量范围进行标定和测试,
测量范围内选择7个流量标定点，同步采集到的电磁流量计与声呐流量计的量值送入计算机系统，利用计算机进行数据处理，通过对比计算得到测量精度
㊂
图10 声呐流量计实验系统
表1为声呐流量计对比测试数据，流量在1.0~
4m /s 范围内，声呐流量计的误差均值不高于0.13%,
由此可以反映出两种流量计的波动趋势相近，声呐流量计能够准确反映流量变化情况，满足工艺现场自动控制要求㊂
结 语
随着我国经济发展转变，人力资源成本的不断增加以
及新技术的不断涌现，大型工业企业要求生产设备的自动化㊁智能化程度越来越高，作为具有国际先进水平的流体介质的计量设备，声呐流量计将填补国内高端检测仪表领域的空白，促进声呐检测关键技术国产化和产业化的实现，带动工业声呐检测技术的推广及应用，促进国内高端流量仪表检测行业的迅猛发展㊂同时，声呐流量计属于流量计市场的高端产品，在流量检测精确度和可靠性方面具有常规流量计所不具有的专有技术优势，可广泛应用于冶金矿山㊁石油㊁天然气㊁油砂加工㊁发电㊁化工㊁纸浆及造纸㊁
表1 声呐流量计对比测试数据
组别
电磁流量
计读数/
m ㊃s
-1
声呐流量
计读数/m ㊃s
-1
误差/%误差高新技术产业化>内外接
均值/%
第一组
1.0031.0050.181.0751.073-0.221.0271.0280.09
1.0141.013-0.071.0181.015-0.32-0.07
第
二组
1.564
1.5690.34
1.4941.487-0.451.5581.5630.341.5381.5450.441.5221.521-0.090.12
第
三组
2.089
2.0930.192.0532.046-0.341.9831.9870.202.0752.065-0.482.0262.0320.30-0.03
第
四组
2.575
2.565-0.392.5112.505-0.242.5032.51
0.282.4932.4970.16
2.5182.509-0.36-0.11
第
五组
3.043
3.039-0.133.0623.06-0.073.0243.018-0.202.9942.9960.07
3.0333.023-0.33-0.13
第
六组
3.513
3.512-0.033.5113.507-0.113.5133.5150.063.4933.4970.113.4983.4990.030.01
第
七组
4.009
4.0130.10
4.0114.008-0.074.0184.015-0.074.0084.010.054.0154.013-0.05-0.01
供水及废水处理等行业，其市场应用前景广阔㊂
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图7 S T M 32程序流程图
有数据丢失㊂
由于设备需要使用外部中断唤醒，所以此电子墨水屏显示牌中的S TM 32采用停机模式㊂S TM 32休眠后通过
N F C 芯片产生的通信中断唤醒设备，当有N F C 设备对
M 24S R 64Y 执行写入操作时,M 24S R 64Y 的G P O 引脚将产生写中断,S TM 32收到此外部中断信号后，进入唤醒流程㊂在唤醒中断的过程中首先恢复外部高速晶振，然后S TM 32判断M 24S R 64Y 通信是否完成，如果通信完成则读取M 24S R 64Y 中的数据，判断数据内容是否有效，若数据无效则再次进入休眠，如果数据有效则控制电源模块打开字库电源和墨水屏电源以及设备初始化，并开始解析和显示通过N F C 传入的内容，当数据显示结束后再次自动进入休眠状态㊂
结 语
本文针对超市货物繁多及超市标签更新频率快的特
点，结合N F C 芯片的双总线模式，以S TM 32为主控制器，研制出了一种省时省力㊁易于更新的电子
墨水屏显示牌，为超市的商品价格标签更改提供便捷的方式，可实现标签的读取㊁写入㊁保存和查询等功能㊂本电子墨水屏显示牌还可应用于其他电子㊁广告㊁信息㊁艺术等领域，以极大地
减少更改信息时繁琐的工作量
㊂
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黄虎(副教授)，主要研究领域为电子信息技术开发与研究；陈诗瑶(硕士研究生)，主要研究领域为电路设计与实现㊂
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李云龙(高级工程师)，主要研究方向为工业在线检测仪器仪表㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2018-10-30
)
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