多普勒超声波流量计检测系统电路设计

    1 引言

    超声波是指振动频率高于20kHz的机械振动，其指向性好、能量集中、穿透能力强、在传输过程中衰减较小等优点，同时具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的测量技术。它具有非接触式测量、精度高、范围宽、安装维护方便等特点， 特别适合用于临时管道流量、大口径管道流量以及危险性流体流量的测量。因此其在生产，科研，生活等方面有着非常广泛的应用。

    2 超声波多普勒流量测量基本原理

    超声波多普勒流量测量原理如图1，它是以物理学中的多普勒效应为基础。在流体流量测量中，发射器P1发射一固定频率声波f₀，经被测流体反射回来，由于流体中固体颗粒运动而产生超声波多普勒频移，变化的频率差正比于流体流速，所以测量该差频信号频率就可以求得流速，进而可以得到流体的流量。设超声波在流体中传播速度为c，流体流速为v，超声波与流体流速方向夹角为θ，当超声波束遇到以速度v沿轴线流动的固体颗粒，对超声波发射频率f₀而言，该粒子以vcosθ的速度离去，因多普勒效应原理，超声波探头P2收到的超声波频率f发生变化， 接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，多普勒频移值Δf为：

        （1）

    由（1）式可得流体速度为

        （2）

图1 超声波多普勒流量测量

    流体流量Q可以写成：

        （3）

    （3）式中，A为被测管道流通截面积，当管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量差频Δf就可以得到流体流量Q。

    3 多普勒流量测量系统设计

    系统的硬件电路主要有三部分：超声波发射部分，超声波接收部分，数字处理部分。系统原理：由555定时器发出的激励信号频率为40kHz分为两路，一路接超声波发生器P2，经被测流体，产生多普勒效应，接收探头P1负责接收变频后的超声波信号，被放大、滤波处理、再与555定时器另一路超声波混频及低通滤波处理，获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信差频号，计算出平均频率，从而得到被测流体流量值。    

图2 多普勒流量测量系统原理图

    3.1 超声波发射电路

    采用由555定时器构成多谐振荡器作为超声波发射电路如图3，其产生40kHz的振荡信号。当刚通电时，电容C₁来不及充电，6脚电压Uc=0，则U0=1，555芯片内部的三极管VT截止，这时Vcc经过R₃和R₂向C₁充电，当充至Uc=2/3Vcc时，输出翻转Uo=0，555芯片内部的三极管VT导通；这时电容C₁经R₂和R₃放电，当降至Uc=1/3Vcc时，输出翻转Uo=1，C1放电终止、又从新开始充电，周而复始，形成振荡，振荡频率为：

        （4）

图3 555定时器超生波发射电路

    由（4）式可知，555多谐振荡器的振荡频率由R₂，R₃，C₁、来确定。所以在电路设计时，先确定C₁、R₂的取值，即C₁=3300pf，R₂=2.7KΩ。再将R₂和C₁的值代入上式中可得：

        （5）

    为了使555芯片的输出频率为40kHz的方波，在这里R₃用10K的电位器，通过调节电位器R₃的阻值，输出波形的频率可达要求。同时为了增大Uo的输出功率，将555芯片的8脚接+12V的电压，复位端4脚接高电平即可。

    3.2 超声波接收电路

    超声波接收电路如图4，在电路中，放大部分采用的是低噪声运放OPA27由构成的同相放大器，由于接收到的信号幅度为毫伏级，所以需要将其放大500倍，使得其接收到的信号不会被干扰信号所掩盖。在第一级的放大电路中，R₂取值为470kΩ，R₁取值为10kΩ；在第二级放大电路中，R₆的取值为100kΩ，R₅的取值为10kΩ；平衡电阻R₃和R₄为平衡电阻，取值均为10kΩ。第一、二级放大增益：

        （6）

        （7）

图4 OP27构成的超声波接收电路

    由（6） 、（7）式知超声波接收电路增益为：

    电路特点：（1）电路输入阻抗为达数十MΩ，输出阻抗只有数十Ω，其带负载能力较强。（2）电路抑制干扰能力较差，温漂严重。（3）电路采用低噪声运放OP27，在一定程度上降低了放大器自身噪声，但同时也限制电路的带宽，在电路增益为500时，带宽为60kHz.

    3.3 混频及低通滤波电路    

图5 混频及低通滤波电路

    超声波接收器输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在0-3KHz范围，反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频，再由RC构成的有源低通滤波器对该信号进一步放大滤波，最终得到差频信号。混频电路如图5，差频信号被由模/数（A/D）转换后，单片机89C51进行加工处理、计算频率偏移平均值，再根据输入的仪表参数进行流速、流量、累计流量等所需要的数据量的计算。

    4 系统测试

    在多普勒流量测量系统中：设管道直径D为20.00cm，超声波探头与水流速度方向夹角θ为30°，发射频率为40kHz，在水中传播速度为1450m/s。在标定实验室的清水管道中加入少量气泡作为超声信号的反射介质，流量真值采用容积法测出。系统流量测量数据见表1。从测量数据中可以看出，系统误差小于3%，符合预期要求。

表1 多普勒超声波流量测量结果

    5 结束语

    该系统分辨率高，对流速变化响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感，没有零点飘移问题。经实验测试表明，系统误差小于3%。本系统是利用声波在流体中传播的多普勒效应而设计的流量测试装置，该装置安装于被测管道的外侧，不影响流体的流动，不接触被测流体，无压力损失，维修方便，特别适用于有害、有毒、腐蚀性强的液体