超声波多普勒流量检测系统电路设计
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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 UO=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
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 ∆f = f0 − f , 多普勒 频移值 ∆f 为:
∆f = 2vf0 cosθ
(1)
c
由(1)式可得流体速度为
v = ∆fc 2 f0 cosθ
(2)
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
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=2.7K Ω 。再将 R2 和 C1 的值代入
上式中可得:
R3 = 1.43 C1 f − 2R 2
(5)
为了使 555 芯片的输出频率为 40kHz 的方波,在这
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[5]。 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
(4)
图 １ 超声波多普勒流量测量
流体流量 Q 可以写成:
Q = Av = A∆fc 2 f0 cosθ
(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 ∆f 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。
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 470k Ω ,R1 取值为 10k Ω ;在第二 级放大电路中, R 6 的取值为 1 0 0 k Ω , R 5 的取值为 10k Ω ;平衡电阻 R3 和 R4 为平衡电阻,取值均为 10k Ω 。
参考文献：
[1] 贾伟,王小敏.超声多普勒流量模拟器研究[J].电子测试. 2011,(11):81-84.
[2] 兰羽,卢庆林.仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中 的应用[J].国外电子测量技术,2012,19(9):186-187.
[3] 李杨,董守华.基于血流多普勒原理的血压测量系统设 计[J].现代生物医学进展,2007,7(7):1089-1090.
[4] 郑佃好.基于多普勒原理的血流速度计设计[J].电子设 计工程,2011,19(11):79-81.
[5] 兰羽,屈改平.血压计中仪表放大器的设计与制作[J].电 子设计工程,2012,20(241):160-163.
[6] 张坷,俞国华,刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的 研究[J].测控技术,2008,27(1):48-50.
《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
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:
f = 1 T ≈ 1.43 (R3 + 2R2 )C1
( 1. Shanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000 China; 2. Nanzheng County Hospital, Hanzhong 723100 China ) Abstract: At present, most of the flow meter in the industry still use the zero-crossing detection method,it has larger error.
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
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[2][3]。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 v cosθ 的 速 度 离 去 , 因 多 普 勒 效 应 原 理 , 超 声 波 探 头
关键字：超声波多普勒流量计;555 谐振电路;OPA27;混频电路 中图分类号:TH814 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2013)01-0052-03
Design of Ultrasonic Doppler Flow Detection System Circuit
LAN Yu1, QU Gai-ping2
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
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。
摘 要：目前,在工业上大部分流量计仍采用过零检测法,误差较大。超声波多普勒流量计具有分辨率高、精度相对较高、不受外界 因素影响等优点。在分析超声波多普勒流量计原理的基础上,设计了超声波流量检测系统,采用了 555 定时器设计了超声波发 射电路、OPA27 芯片设计了接收电路,及差频信号检测电路。经实验表明系统误差小于 3%,满足设计要求。
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
收稿日期：２０１２－０６－１３
52 | TechniquesofAutomation&Applications
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
３．３ 混频及低通滤波电路
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[6]。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[7]。
第一、二级放大增益:
Techniques of Automation & Applications | 53
Biblioteka Baidu
《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
Af 1
=1+
R2 R1
= 48
Af 2
=1+
R6 R5
= 11
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
超声波多普勒流量检测系统电路设计
兰 羽 １， 屈改平 ２
(1.陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000;2.陕西省南郑县医院,陕西 汉中 723100)
Ultrasonic Doppler flowmeter possess high resolution, relatively high precision, free from external factors. On the basis of the analysis of ultrasonic Doppler flow detection system principle, the ultrasonic flow detection is designed. The ultrasonic tronsmittet circuit is designed by using 555 timer, the receiver circuit and the frequency signal detection circuit is designed by OPA27 chip. Experimental results show that the systematic errors are less than 3%, to meet the design requirements. Key words: ultrasonic doppler flowmeter; 555 resonant circuit; OPA27; mixer circuit
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[1]。因此其在生 产, 科研, 生活等方面有着非常广泛的应用。
表 １ 多普勒超声波流量测量结果
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:
Af = Af 1 • Af 2 = 528
电路特点:(1)电路输入阻抗为达数十 M Ω,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[4]。(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.
[7] 梁森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术[M].北京: 机械工业出版社,2007,(7):192-200.
作者简介： 兰羽（ １ ９ ７ ５ － ） ，男， 讲师， 研究方向： 电子电路设计 与应用。
54 | TechniquesofAutomation&Applications
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 UO=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
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 ∆f = f0 − f , 多普勒 频移值 ∆f 为:
∆f = 2vf0 cosθ
(1)
c
由(1)式可得流体速度为
v = ∆fc 2 f0 cosθ
(2)
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
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=2.7K Ω 。再将 R2 和 C1 的值代入
上式中可得:
R3 = 1.43 C1 f − 2R 2
(5)
为了使 555 芯片的输出频率为 40kHz 的方波,在这
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[5]。 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
(4)
图 １ 超声波多普勒流量测量
流体流量 Q 可以写成:
Q = Av = A∆fc 2 f0 cosθ
(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 ∆f 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。
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 470k Ω ,R1 取值为 10k Ω ;在第二 级放大电路中, R 6 的取值为 1 0 0 k Ω , R 5 的取值为 10k Ω ;平衡电阻 R3 和 R4 为平衡电阻,取值均为 10k Ω 。
参考文献：
[1] 贾伟,王小敏.超声多普勒流量模拟器研究[J].电子测试. 2011,(11):81-84.
[2] 兰羽,卢庆林.仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中 的应用[J].国外电子测量技术,2012,19(9):186-187.
[3] 李杨,董守华.基于血流多普勒原理的血压测量系统设 计[J].现代生物医学进展,2007,7(7):1089-1090.
[4] 郑佃好.基于多普勒原理的血流速度计设计[J].电子设 计工程,2011,19(11):79-81.
[5] 兰羽,屈改平.血压计中仪表放大器的设计与制作[J].电 子设计工程,2012,20(241):160-163.
[6] 张坷,俞国华,刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的 研究[J].测控技术,2008,27(1):48-50.
《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
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:
f = 1 T ≈ 1.43 (R3 + 2R2 )C1
( 1. Shanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000 China; 2. Nanzheng County Hospital, Hanzhong 723100 China ) Abstract: At present, most of the flow meter in the industry still use the zero-crossing detection method,it has larger error.
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
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[2][3]。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 v cosθ 的 速 度 离 去 , 因 多 普 勒 效 应 原 理 , 超 声 波 探 头
关键字：超声波多普勒流量计;555 谐振电路;OPA27;混频电路 中图分类号:TH814 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2013)01-0052-03
Design of Ultrasonic Doppler Flow Detection System Circuit
LAN Yu1, QU Gai-ping2
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
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。
摘 要：目前,在工业上大部分流量计仍采用过零检测法,误差较大。超声波多普勒流量计具有分辨率高、精度相对较高、不受外界 因素影响等优点。在分析超声波多普勒流量计原理的基础上,设计了超声波流量检测系统,采用了 555 定时器设计了超声波发 射电路、OPA27 芯片设计了接收电路,及差频信号检测电路。经实验表明系统误差小于 3%,满足设计要求。
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
收稿日期：２０１２－０６－１３
52 | TechniquesofAutomation&Applications
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
３．３ 混频及低通滤波电路
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[6]。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[7]。
第一、二级放大增益:
Techniques of Automation & Applications | 53
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《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
Af 1
=1+
R2 R1
= 48
Af 2
=1+
R6 R5
= 11
仪器仪表与检测技术
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《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
超声波多普勒流量检测系统电路设计
兰 羽 １， 屈改平 ２
(1.陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000;2.陕西省南郑县医院,陕西 汉中 723100)
Ultrasonic Doppler flowmeter possess high resolution, relatively high precision, free from external factors. On the basis of the analysis of ultrasonic Doppler flow detection system principle, the ultrasonic flow detection is designed. The ultrasonic tronsmittet circuit is designed by using 555 timer, the receiver circuit and the frequency signal detection circuit is designed by OPA27 chip. Experimental results show that the systematic errors are less than 3%, to meet the design requirements. Key words: ultrasonic doppler flowmeter; 555 resonant circuit; OPA27; mixer circuit
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[1]。因此其在生 产, 科研, 生活等方面有着非常广泛的应用。
表 １ 多普勒超声波流量测量结果
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:
Af = Af 1 • Af 2 = 528
电路特点:(1)电路输入阻抗为达数十 M Ω,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[4]。(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.
[7] 梁森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术[M].北京: 机械工业出版社,2007,(7):192-200.
作者简介： 兰羽（ １ ９ ７ ５ － ） ，男， 讲师， 研究方向： 电子电路设计 与应用。
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