研究多年，这位工程师这样总结超声波流量计

21iC电子网 20210202

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出品 21ic论坛  蒋博1026

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管道流量的测量在近几年工业生产中发挥着至关重要的作用。关于超声波测量液体流量，目前市面上常用的有时差法测量。但是时差法的使用具有局限性，就是只能测量单一介质的液体流速。对于有杂质的液体，显然是不可用的。所以，最近研究了关于频移法测液体流量。今天在这里给大家分享一下。首先介绍下多普勒超声波流量计的原理，多普勒超声波流量计利用了多普勒效应，即使用两个探头，一个发射超声波，另一个接收超声波，发射超声波的为发射探头，另外一个接收超声波的为接收探头，如下图所示：



如上图所示，两个探头的型号是一样的，既可以发射超声波，也可以接收超声波。将两个探头夹在管道上，其中一个发射超声波，另外一个接收超声波，其中发生超声波的频率是已知的，接收探头接收到的超声波频率未知，如果没有流体流动，那么发射超声波的频率就和接受探头超声波的频率是相等的，如果有流体流过，并且流体中存在颗粒物，这些颗粒物就会反射超声波，进而使得接收探头所接收频率发生偏移，经过调研大量文献可知，频率的偏移量与流体的流速具有一定的函数关系，因此我们只需要测得接收探头的超声波频率，即可实现对流体流速的测量。但是，一般的超声波探头的频率都比较高，一般都可以达到兆赫兹级别，因此使用高速ADC采样，显然是不可取的。因此需要对接收探头信号进行处理，在进行频率鉴定。工作流程如下所示：



首先是驱动电路：对于驱动电路，一共两点要求，一个是功率满足要求，第二个就是频率满足要求，在本项目中，使用的探头频率为1M的，所以驱动信号的频率也为1M，满足功率要求，主要是为了成功将探头驱动，使其发射超声波。为满足功率要求，使用了高电压和大功率电阻。这里选用了晶振信号作为驱动信号的开关，选用了1M的晶振，产生1M的信号，在经过整形电路，将晶振信号优化为完美的方波，该方波作为场效应管的开关，并在场效应管的一端加入12V大电压，因此，可以实现最大值为12V，最小值为0V的方波驱动，进而驱动探头。探头驱动信号如下图所示：



对于接收探头接收信号的处理就比较复杂，我们最终要测量的是接收探头频率的频移量，而非接收探头所接收信号的频率，因此，我们需要使用乘法器，将接收探头接收信号与固定频率的信号相乘，由微弱信号检测知识可知，两个不同频率的信号相乘，其结果由3部分组成，一部分是和频量信号，第二部分是差频量信号，第三部分就是直流量信号。因此，我们使用乘法器预先处理接收探头的接收信号。至于固定频率的信号，这个的频率必须等于驱动信号的频率，因为我们需要识别的是接受探头信号的频率与发射探头信号频率的频移量，所以，在驱动电路中，晶振的信号，我们一路送给场效应管作为开关使用，另外一路送给乘法器作为参考信号使用，当我们的参考信号频率为1M，接收探头的信号频率为1.007MHz时，实际测试效果如下图所示：



上图为乘法器输出信号，从图中可以看出既有和频分量信号、也有差频分量信号，除此之外还有直流分量信号，其中差频信号分量就是我们想要得到的。因此我们需要将其他信号滤除掉，这里我们选择了低通滤波器，截止频率为10khz，通过低通滤波器之后，信号如下图所示：



通过上图可以看到，经过低通滤波器之后，差频信号被很好的保存下来了，但是由于硬件原因，效果不是很好，还是有一些尖峰毛刺的，所以，后边又设计了一阶RC滤波，其输出结果如下图所示：



从上图可以知道，经过一阶RC滤波之后，信号的信噪比大大得到了提高，从而验证了接收探头接收信号处理电路的准确性与可靠性。至此，我们已经得到了接收探头接收信号相对于发射探头发射信号的频移量。对于上述差频信号，我们有两种处理方法，一种就是使用控制器直接进行ADC采样，因为此时的信号频移量的频率不大，控制器可以直接处理，然后加入一定的算法，进行频率识别。第二种方法就是对上述信号再进行深度处理，即再通过一定的电路将上述差频信号由标准的正弦波转变为频率相同的脉冲信号，将脉冲信号送给控制器处理，主要是采用了控制器中定时器的输入捕获方式，即来一个脉冲，进行一次计数，以此类推，就可以识别出差频信号的频率。将此识别频率再通过一定的函数关系，将其转变为流体流速，进而实现对流体流速测量。

本文系21ic论坛网友蒋博1026原创

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