超声波多普勒流量检测系统电路设计

仪 器 仪 表 与检 测 技 术lnstrumentation and Measu rment《自动化技术与应用》20l 3年第32卷第0l期图1 超声波多普勒流量测量流体流量Q可以写成：QAv f 2 o COS0 LJ)(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△厂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，-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P 1负责接收变频后的超声波信号，被放大、滤波处理、再与5 5 5定时器另-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5 5 5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 C 来不及充电，6脚电压 Uc0，则U 1，555芯片内部的三极管VT截止，这时Vcc经过R 和R，向C，充电，当充至Uc2/3Vcc时，输出翻转Uo0，555芯片内部的三极管VT导通；这时电容Cl经R2和R 3放电，当降至Uc 1/3Vcc时，输出翻转Uol，Ci放电终止、又从新开始充电，周而复始，形成振荡，振荡频率为：fl/ ≈1.43/(R 2R2)c1 (4)VCC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R，，R ，C 、来确定。所以在电路设计时，先确定 C 、R，的取值，即C 3300pf，R，2.7KQ 。再将R，和C 的值代入上式中可得 ：R31.43/C1f-2R 2 (5)为了使555芯片的输出频率为40kHz的方波，在这里R 用 1 OK的电位器，通过调节电位器R 的阻值，输出波形的频率可达要求。同时为了增大 U O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-级的放大电路中，R，取值为4701Q ，R 取值为 10kQ ；在第二级放大电路中，R 的取值为 1 0 0 k Q ，R 的取值为101Q ；平衡电阻R 和Rd为平衡电阻，取值均为10kQ。

第-、二级放大增益：《自动化技术与应用》201 3年第32卷第01期 仪 器仪 表 与检 测 技 术Instrumentation and Measu rment据输入的仪表参数进行流速、流量 、累计流量等所需要(6) 的数据量的计算。

(7) 4 系统测试图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：A，A， ·A 528J J J 电路特点：(1)电路输入阻抗为达数十M ( ，输出阻抗只有数十( ，其带负载能力较强。(2)电路抑制干扰能力较差，温漂严重l4]。(3)电路采用低噪声运放OP27，在-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l00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，所以采褥频，再由RC构成的有源低通滤波器对该信号进-步放大滤波，最终得到差频信号5]。

混频电路如图5，差频信号被由模/数(A/D)转换后，单片机 89C5l进行加工处理、计算频率偏移平均值 ，再根在多普勒流量测量系统中：设管道直径D 为2 0。

00cm，超声波探头与水流速度方向夹角 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流量真值 (m/h) 10 20 30 40 50 6O超声波流量(ils/h) 10.28 20.52 29.12 41.10 48 80 6l82r 误差% 2.8% 2.636 2.9% 2.78% 2.4% 3.0%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l6。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[ 。