多普勒超聲波流量計檢測系統電路設計

    1 引言

    超聲波是指振動(dòng)頻率高于20kHz的機械振動(dòng)，其指向性好、能量集中、穿透能力強、在傳輸過(guò)程中衰減較小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超聲波流量測量技術(shù)是一種利用超聲波信號在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測量流體流量的測量技術(shù)。它具有非接觸式測量、精度高、范圍寬、安裝維護方便等特點(diǎn)， 特別適合用于臨時(shí)管道流量、大口徑管道流量以及危險性流體流量的測量。因此其在生產(chǎn)，科研，生活等方面有著(zhù)非常廣泛的應用。

    2 超聲波多普勒流量測量基本原理

    超聲波多普勒流量測量原理如圖1，它是以物理學(xué)中的多普勒效應為基礎。在流體流量測量中，發(fā)射器P1發(fā)射一固定頻率聲波f₀，經(jīng)被測流體反射回來(lái)，由于流體中固體顆粒運動(dòng)而產(chǎn)生超聲波多普勒頻移，變化的頻率差正比于流體流速，所以測量該差頻信號頻率就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體的流量。設超聲波在流體中傳播速度為c，流體流速為v，超聲波與流體流速方向夾角為θ，當超聲波束遇到以速度v沿軸線(xiàn)流動(dòng)的固體顆粒，對超聲波發(fā)射頻率f₀而言，該粒子以vcosθ的速度離去，因多普勒效應原理，超聲波探頭P2收到的超聲波頻率f發(fā)生變化， 接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，多普勒頻移值Δf為：

        （1）

    由（1）式可得流體速度為

        （2）

圖1 超聲波多普勒流量測量

    流體流量Q可以寫(xiě)成：

        （3）

    （3）式中，A為被測管道流通截面積，當管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量差頻Δf就可以得到流體流量Q。

    3 多普勒流量測量系統設計

    系統的硬件電路主要有三部分：超聲波發(fā)射部分，超聲波接收部分，數字處理部分。系統原理：由555定時(shí)器發(fā)出的激勵信號頻率為40kHz分為兩路，一路接超聲波發(fā)生器P2，經(jīng)被測流體，產(chǎn)生多普勒效應，接收探頭P1負責接收變頻后的超聲波信號，被放大、濾波處理、再與555定時(shí)器另一路超聲波混頻及低通濾波處理，獲得含有流體流速信息的低頻模擬多普勒信差頻號，計算出平均頻率，從而得到被測流體流量值。    

圖2 多普勒流量測量系統原理圖

    3.1 超聲波發(fā)射電路

    采用由555定時(shí)器構成多諧振蕩器作為超聲波發(fā)射電路如圖3，其產(chǎn)生40kHz的振蕩信號。當剛通電時(shí)，電容C₁來(lái)不及充電，6腳電壓Uc=0，則U0=1，555芯片內部的三極管VT截止，這時(shí)Vcc經(jīng)過(guò)R₃和R₂向C₁充電，當充至Uc=2/3Vcc時(shí)，輸出翻轉Uo=0，555芯片內部的三極管VT導通；這時(shí)電容C₁經(jīng)R₂和R₃放電，當降至Uc=1/3Vcc時(shí)，輸出翻轉Uo=1，C1放電終止、又從新開(kāi)始充電，周而復始，形成振蕩，振蕩頻率為：

        （4）

圖3 555定時(shí)器超生波發(fā)射電路

    由（4）式可知，555多諧振蕩器的振蕩頻率由R₂，R₃，C₁、來(lái)確定。所以在電路設計時(shí)，先確定C₁、R₂的取值，即C₁=3300pf，R₂=2.7KΩ。再將R₂和C₁的值代入上式中可得：

        （5）

    為了使555芯片的輸出頻率為40kHz的方波，在這里R₃用10K的電位器，通過(guò)調節電位器R₃的阻值，輸出波形的頻率可達要求。同時(shí)為了增大Uo的輸出功率，將555芯片的8腳接+12V的電壓，復位端4腳接高電平即可。

    3.2 超聲波接收電路

    超聲波接收電路如圖4，在電路中，放大部分采用的是低噪聲運放OPA27由構成的同相放大器，由于接收到的信號幅度為毫伏級，所以需要將其放大500倍，使得其接收到的信號不會(huì )被干擾信號所掩蓋。在第一級的放大電路中，R₂取值為470kΩ，R₁取值為10kΩ；在第二級放大電路中，R₆的取值為100kΩ，R₅的取值為10kΩ；平衡電阻R₃和R₄為平衡電阻，取值均為10kΩ。第一、二級放大增益：

        （6）

        （7）

圖4 OP27構成的超聲波接收電路

    由（6） 、（7）式知超聲波接收電路增益為：

    電路特點(diǎn)：（1）電路輸入阻抗為達數十MΩ，輸出阻抗只有數十Ω，其帶負載能力較強。（2）電路抑制干擾能力較差，溫漂嚴重。（3）電路采用低噪聲運放OP27，在一定程度上降低了放大器自身噪聲，但同時(shí)也限制電路的帶寬，在電路增益為500時(shí)，帶寬為60kHz.

    3.3 混頻及低通濾波電路    

圖5 混頻及低通濾波電路

    超聲波接收器輸出的信號相對于發(fā)射信號產(chǎn)生了頻移，此頻移在0-3KHz范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對于發(fā)射信號頻率較小，直接進(jìn)行頻率測量精度難以保證，所以采取混頻，再由RC構成的有源低通濾波器對該信號進(jìn)一步放大濾波，最終得到差頻信號�；祛l電路如圖5，差頻信號被由模/數（A/D）轉換后，單片機89C51進(jìn)行加工處理、計算頻率偏移平均值，再根據輸入的儀表參數進(jìn)行流速、流量、累計流量等所需要的數據量的計算。

    4 系統測試

    在多普勒流量測量系統中：設管道直徑D為20.00cm，超聲波探頭與水流速度方向夾角θ為30°，發(fā)射頻率為40kHz，在水中傳播速度為1450m/s。在標定實(shí)驗室的清水管道中加入少量氣泡作為超聲信號的反射介質(zhì)，流量真值采用容積法測出。系統流量測量數據見(jiàn)表1。從測量數據中可以看出，系統誤差小于3%，符合預期要求。

表1 多普勒超聲波流量測量結果

    5 結束語(yǔ)

    該系統分辨率高，對流速變化響應快，對流體的壓力、粘度、溫度、密度及導電率等因素不敏感，沒(méi)有零點(diǎn)飄移問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗測試表明，系統誤差小于3%。本系統是利用聲波在流體中傳播的多普勒效應而設計的流量測試裝置，該裝置安裝于被測管道的外側，不影響流體的流動(dòng)，不接觸被測流體，無(wú)壓力損失，維修方便，特別適用于有害、有毒、腐蝕性強的液體