毕业设计(论文)-管道液体流速在线测量系统设计.doc

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盐 城 师 范 学 院
毕业论文
2012－2013学年度

管道液体流速在线测量系统设计

学生姓名
学 院 物电学院
专 业 电子信息工程
班 级 09（3）班
学 号 092232306
指导教师

2013年 05 月 20日
管道液体流速在线测量系统设计
摘 要
在科技飞速发展的当今社会，流速测量广泛应用于工农业和医学，管道液体流速的测量是液体流速测量的一个方面的应用。管道流速测量主要利用超声波多普勒效应测量，入射波和反射波的频差来进行流速的测定，当超声波声源和反射界面或者散射体之间存在相对运动时，被反射或被散射的超声波信号的频率将发生变化，该频率与声源超声波频率之间的差值与相对运动的速度成正比，这一现象称之为多普勒效应。接收信号的频率与声源的频率之差称为多普勒频移；相应的频差信号称为多普勒信号。当流体存在着可反射或散射超声波的跟随粒子时，便可以利用多普勒信号确定流体的速度。具有空间频率高，能进行非接触的测量，不需要校正、响应特性好，应用范围宽等特点。
【关键词】 管道液体流速，超声波多普勒，多普勒信号

1

Abstract
In the rapid development of technology in today's society, the flow rate measurement is widely used in industry, agriculture and medicine, pipe liquid flow rate is measured liquid flow rate measuring one aspect of the application. Pipe flow measurement using ultrasound Doppler effect mainly measured incident and reflected waves of the frequency difference between the flow rate measurement for, when the ultrasonic sound source and the reflector or the relative motion between the scattering when the ultrasonic wave is reflected or scattered will change the frequency of the signal, the frequency of the sound source and the difference between the ultrasonic frequency proportional to the speed of relative motion, this phenomenon is called the Doppler effect. Frequency of the received signal of the difference between the sound source frequency is called the Doppler frequency shift; corresponding difference signal is called the Doppler frequency signal. When the fluid there may be an ultrasonic wave is reflected or scattered particles to follow, can take advantage of the Doppler signal to determine the fluid velocity. Having a high spatial frequency can perform non-contact measurement, no correction, the response characteristics of a good, wide range of applications and so on.
[Keywords] pipeline fluid velocity, Doppler ultrasound, Doppler signal

2

目 录

绪论 4
1.1流速的概述 4
1.2液体流速测量的概况 4
1.3 管道液体流速测量的研究意义及发展 5
超声波多普勒测管道流速原理 6
2.1超声波传感器的基本原理 6
2.2多普勒效应测流速原理 6
超声波多普勒测管道流速设计 8
3.1超声波发射模块设计 8
3.2超声波接收模块设计 8
3.2.1选频放大电路 8
3.2.2解调电路 8
3.2.3低通滤波器的设计 9
3.2.4放大电路的设计 9
超声波多普勒测管道流速设计思想 10
5总结 11
致谢 11
参考文献 11

3

绪论
1.1流速的概述
流速是指气体或液体流质点在单位时间内所通过的距离。质点流速是描述液体的质点在某瞬间时的运动快慢和运动方向的矢量。它的方向与质点轨迹的切线方向是一致的。紊流中点流速随时间作不规则的变化，一般取某一段时间内的平均值即时均流速和瞬时流速与时均流速之差即脉动流速作为研究的对象。根据不同情况和要求，采用不同的方法、仪器来进行测量。
1.2液体流速测量的概况
液体流速是流速测量的一个方面。液体流速是指液体流质点在单位时间内所通过的距离。液体流速测量几乎遍及生产与生活的各个领域,如农业的浇灌水系统、医用测定血液流速系统，尤其是工业生产领域：化工、石油等。近年来由于传感器技术的发展使得液体流速的测量发生了根本性的变化，液体流速的测量仪器更趋向小型化和微型化，流速传感器如电磁式流速计、超声波流速计、多普勒流速计。
1、电磁式流速计是根据电磁感应原理测量流速的，仅适用于检测导电液体的流速；
2、热导式流速传感器是根据各种流体在管道流动时，任意两点间传递的热量与单位时间内通过给定面积的运动流体的质量成正比制成的；
3、超声波流速计是根据流体流动的方向与声波方向是否一致这一原理来测量流速的，主要适用于导体或非导电液体；
4、多普勒流速计是利用超声波多普勒方法和激光多普勒方法都可以测出流体的流速。超声波多普勒流速计是由于流体内的微小粒子与流体有相同的移动速度，利用超声波遇到物体、反射且传播频率发生这一多普勒效应求得流速。这种流速计的测量原理是测定流体中微小粒子的移动速度，主要用于工业上给水排水，或医学上以红血球作为微小粒子的血统的测定。具有高频率、非接触式的特点
管道液体流速的测量是液体流速测量的一个方面的应用。管道液体流速测量的方法有很多，主要是超声波流速传感器：由于流体内的微小粒子与流体有相同的移动速度，利用超声波遇到物体、反射且传播的频率发生变化这一多普勒效应来求得流速。具有空间频率高，能进行非接触的测量，不需要校正、响应特性好，应用范围宽等特点。本文主要是利用超声波多普勒效应来测量管道液体流速。
超声波多普勒测速技术是伴随激光器的诞生而产生的一种新的测量技术它是利用超声波多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，被广泛应用于军事，航空，航天，机械，能源，水利，钢铁，医学，环保等领域。超声波多普勒流速仪原理：当超声波声源和反射界面或者散射体之间存在相对运动时，被反射或被散射的超声波信号的频率将发生变化，该频率与声源超声波频率之间的差值与相对运动的速度成正比，这一现象被物理学家Christian Doppler在1842年首次发现，称之为多普勒效应。接收信号的频率与声源的频率之差称为多普勒频移；相应的频差信号称为多普勒信号。当流体存在着可反射或散射超声波的跟随粒子时，便可以利用多普勒信号确定流体的速度。
1.3 管道液体流速测量的研究意义及发展
在科技飞速发展的当今社会，流速测量广泛应用于工农业和医学，工农业的发展对液体流速的测量提出了越来越高的要求，所以只有液体流速测量的数据准确，提供可靠的科学数据才能为社会发展保驾护航。流速计作为计量科学技术的重要组成部分，做好流速计这项工作对促进科学技术的发展具有重要的作用。石油、水是能源的重要组成部分，流速计是检测的重要手段。本文提出的管道液体流速在线测量——超声波多普勒测流速，它具有频率高的特点。
流速测量技术起源很早，早在十八世纪皮托管首次用一根弯成直角的玻璃管测量了塞纳河的流速。伴随着科技的进步和工农业生产的需要，进入20世纪流速测量技术的手段不断地创新，20年代发明了热线测速仪以及后来的激光多普勒测速仪和九十年代成熟起来的粒子图像测速仪等等。利用光波的多普勒效应来测量流速的技术,是继热线热膜测速技术之后流速测量的技术的又一重大进步。自从1964年H Yeh和H Z Cummins发明第一台激光多普勒流速测量计以来，近二十年中，无论在理论、品件、产品结构还是激光流速的应用方面都取得了丰富的成果，尽管这种测速技术有它自己本身的缺点，但越来越多的人们在自己的实验、科研中使用激光流速计，实践证明它的确比毕托管和热线风速计在不少地方都具有优越性。而超声波多普勒流速仪的出现对于管道中微小粒子的测量又有了更大的提高。
利用超声波多普勒测速仪测量流速的方法在流速计中已有广泛的研究及应用，多维系统、光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把超声波多普勒技术推向更高的水平。此外，半导体激光器的应用是让小型化成为可能，推动超声波多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。用于在线测量的便携式流速测量仪原理是利用超声波多普勒原理测量液体流速。非接触式超声波多普勒流速计是在线测量中的佼佼者，尤其是它具有测量面积小，空间分辨率高，它不需要校正、响应特性好，应用范围宽。20世纪60年代美国最先开始为宇航业所需气体质量流量控制设备开发热式质量流量计正式产品，我国也早在70年代就开发了热式流量仪表，然而仅在军事工业上有所应用，适用面窄，2000年以后国内生产厂家逐步增多，如今的热式流量计技术比较成熟，但是其主要应用在气体流量测量且最适用于测量低流速，因此不适用于工业现场的测量。皮托管常用测量管道风速、炉窖烟道内的气流速度，也可以测量管道内的水流速度。
流量测速计的发展除采用新技术、新的原理以外，在已有的成熟的测量技术改进方面也有很大的发展，功用和性能上已有很大提高并且在实际中起了很大的作用。在计量校准、检定的领域里，对准确度的要求极为严格，正是基于这种现状和实际情况的需要，开发基于多普勒原理的在线流速测量的装置是很有必要的。
超声波多普勒测管道流速原理
2.1超声波传感器的基本原理
超声波有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可兼有发射和接收。人们听到的声音频率为20Hz~20kHz，超出此频率范围声音，即20Hz以下的声音称为次频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波传感器是利用压电效应原理。超声波传感器主要由金属网、外壳、锥形扬声器、压电晶片、底座、引脚等部分组成。
2.2多普勒效应测流速原理
多普勒测速原理是根据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定的声源，岁流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可以把入射的超声波反射回接收器。入射波与反射波之间的频率差就是流体中的固体颗粒运动而产生的声波多普勒的频移。由于这个频差正比于流体速度，所以通过测量的频率差就可以求得流速。超声波多普勒流速计是由于流体内的微小粒子与流体有相同的移动速度，利用超声波遇到物体、反射且传播频率发生这一多普勒效应求得流速。这种流速计的测量原理是测定流体中微小粒子的移动速度，其测量方法如图1所示。图中，由发送器发送频率为的超声波，经流速为的粒子反射，在接受器中检测到频率为，接受频率和发送频率的差称为多普勒频移，即
（2—1）
在上式中，确定了声波速度，就求出流速。

发送器
接收器
与流体一起移动的微小粒子

图1 超声波多普勒流速计原理

（2—2）
以上各式中：为声波方向与流体速度之间的夹角，为声源的初始声波频率，为声源在介质中的传播速度。若，则
（2—3）
（2—4）
式（2—4）是按单个颗粒考虑时，测得流体的流速。但对于实际含有大量的颗粒群的水流时，则应对所有的频移信号都进行统计处理。超声波多普勒流速计的换能器通常采用收发一体结构，换能器接收到的反射信号只能是发射器和接收器两个指向性波束重叠的区域内的颗粒反射波，这个重叠的区域称为多普勒信号的信息窗如图2所示，即信息窗内的多普勒频移为反射波叠加的平均值。

1
2
3
流动方向

4
1：发射换能器；2：接收换能器组
3：信息区域窗1,2,3；4：管道

图2 多普勒信息窗

超声波多普勒测管道流速设计
3.1超声波发射模块设计
超声波发射模块的电路采用的是正弦振荡电路产生1MHz的正弦波,用以驱动超声波发射换能器。正弦正弦振荡电路是通过自激产生的振荡，它由放大电路和正反馈网络这两部分组成，为了得到单一频率的正弦波，并使用振荡电路稳定工作，电路中还应该包含稳幅环节和选频网络，稳幅环节用来稳定振荡的幅度，抑制振荡过程中产生的谐波，选频网络用来从很宽的频率中选择单一频率的信号送到放大器的输入端，将其频率的信号进行衰减。石英晶体振荡电路随着时间和温度的漂移要小很多。具有很小的频率差、很高的品质因数和稳定性，因此采用石英晶体振荡电路产生所需的正弦波。电路图如图3：

图3 超声波发射电路
3.2超声波接收模块设计
3.2.1选频放大电路
超声波的发射电路产生的1MHz的正弦波信号经由发射换能器入射到流体内，被流体中的颗粒散射，接收换能器接收到的信号一部分是由颗粒散射的含有流速信息的信号，一部分是直接耦合到接收换能器上的发射信号以及噪声信号。含有流速信息的信号一般很微弱，不能满足后续解调电路对输入信号的要求，而直接耦合到接收换能器上的发射信号以及噪声信号也应该要滤除掉，因此，选用选频放大器，通过设置中心频率以及带宽保留并放大有用信号，滤除杂波。电路图如图4：

图4 选频放大电路
3.2.2解调电路
经选频放大路后的信号成分主要是含有流速信息的回波信号和本振信号，为了得到多普勒频移，考虑利用乘法器的混频原理来解调，即两个不同的频率信号经过乘法器混频后产生新的频率信号。
设基准信号为
（3—1）
调制信号为
（3—2）
混频信号为
(3—3)
令，采用乘法器解调，混频后的信号主要是多普勒频移和2MHz左右的和频信号以及高次谐波，因此只需要用低通滤波器滤除掉高频的信号就可以得到多普勒频移信号了。解调电路如图5：

图5 解调电路
解调电路运用到芯片MC1496，如图6所示。MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部结构如图7所示：

图6 MC1496

图7 内部结构
3.2.3低通滤波器的设计
解调电路的输出信号包含多普勒频移信号和高频信号，因此要从解调电路的输出信号中分离出多普勒频移，需要用低通滤波器滤除高频信号。滤波器可以使用运放构成有源滤波器，也可以用电阻、电感和电容构成无源滤波器，与无源滤波器相比，有源滤波器的特性效果更陡峭，效果好，而且频率特性调节方便，输入、输出阻抗易于匹配，因此采用有源滤波器，其电路图如图8所示。

图8 低通滤波器电路
3.2.4放大电路的设计
经过调解和滤波之后的多普勒频移信号为微弱的信号，幅度在十几至几十毫伏，因此在送入A/D转换电路之前需要对其放大。由于采用一般运放，一级的放大倍数不能过高，因此应用了两级放大，如图9所示。

图9 二级运算放大电路
3.2.5A/D采样模块的设计
模数转换器（A/D）是数据采集关键，直接关系到系统的性能，速度。为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精确度，如果要实现速度变化信号的实时控制与检测，A/D转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D转换器的重要技术指标。所以选择A/D时，主要考虑的因素是精度和速度。精度与系统中的测量控制信号范围有关，转换器的位数应该比总精度要求的最低分辨率高一位。速度由输入信号的最高频率决定，要保证转换器的转换速率高于系统要求的采样频率。本次设计中所要采集的多普勒频移信号，其频率不大于15KHz，为了满足采样定律，要求采样频率在30KHz以上。本次采用的A/D芯片是AD9221。它具有1.5MHz的采样频率，12位的分辨率。完全满足这次设计对精度和速度的要求。另外，AD9221还具有低失真度、低功耗、高信噪比的特点，可单电源5V供电，输入信号范围可以自行调节，并且如果输入信号超出或低于可测试的范围，则会产生溢出报警，因此可以通过查询溢出报警引脚来检测输入电压的幅度是否超出测试范围。它与单片机的连接电路如图10所示。

图10 A/D采样模块
利用A/D模数转换器得到多普勒频移，利用可以求得，为声源的初始声波频率，为声源在介质中的传播速度，是已知的，利用式（2—4）可以求得流速。
超声波多普勒测管道流速设计思想
利用多普勒效应测流速，发射器发射超声波进入管道测得颗粒的流速，然后经接收器接收得到信号，混频信号经过选频放大、解调、低通、信号放大得到多普勒信号，
发射换能器

管

道
选频放大电路
信号放大
低通滤波器
解调电路
A/D采样
得到多普勒频移
计算得到流速
混频信号
图11 超声波多普勒测量原理框图
在经过A/D模数转换器得到结果。

5总结
本论文基本完成了对管道液体流速在线测量系统的设计。主要叙述了主要叙述了液体流速的测量方法,研究意义以及发展；针对超声波多普勒测管道流速过程中遇到的问题，主要是液体的组成部分以及颗粒的数目的影响，对其进行了分析，描述了超声波多普勒测流速的发射换能器,接收换能器的组成及设计,从而了解了多普勒效应测流速的方便。在电路设计过程中，进一步对选频放大电路、解调电路、低通滤波器、信号放大电路、A/D采样模块等进行了分析。
在超声波多普勒测管道流速电路设计的基础上，还可以将其进行一定的改进。本文对接收超声波接收模块的原理结构框图作了简要分析。

致谢
本次毕业设计是在沈法华博士的精心指导下顺利完成的。沈老师渊博的知识、活跃的思维、严谨的治学、严肃的科学态度深深地影响着我，为我在学习方面树立了榜样。在此，我向沈老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
感谢所有教育过、帮助过我的老师！你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是我完成本论文的基础。
感谢我的舍友和好友，感谢你们在这个阶段给予我的支持以及鼓励，你们的帮助让我感受到了快乐和温馨。
感谢我的家人给予我的关爱和鼓励。

参考文献
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