2016年第4期
仅表技术与传感器 Instrument Techniqueand Sensor
基于超声波多普勒效应的管道流速测量的研究
范塞柏，在左保收，贾少栓，陶丹
（华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071000）
2016 No. 4
摘要：时差法作为一种传统的测流原理，由于存在安装难度大、机械制造精度要求高和时间截取准确度要求高等因素，造成时差法测流存在一些不确定性，可能无法实时准确地反映水层的瞬时流速。针对上述问题，运用超声波多普勒效应，即水层与流速仪存在相对运动时，声波的反射信号将产生相应的多普勘频偏，研究并设计了一套完整的以 STM32F407VGT6为核心处理芯片的超声波发射电路和微弱超声波信号接收处理电路，介绍了基于复调制的ZoomFFT的
基本原理，同时成功地运用到了管道流速测量的算法当中，并取得了良好的测试效果。关键调：时差法；超声波；多普勃效应；频移；复调制；流速测量
中图分类号：TH815
文献标识码：A
文章编号：1002-1841(2016)040101-04
ResearchofPipelineFlowMeasurementBasedonUltrasonicDopplerEffect
FAN Han-bai,ZUO Bao-shou,JIA Shao-shuan, TAO Dan
(Department of Electronies and Communication Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071000,China)
Abstract: As the traditional principle of flow measurement, with the factors of installation difficulty, high precision in ma-chinery manufacturing and fine time-intercepting requirement, the time difference method has some uncertainty, resulting in inac-curate reflecting in real-time instantaneous flow rate of the aqueous layer. Aiming at the above problems, the ultrasonic doppler effect was used, that is, when there is a relative motion between water layer and flow measuring instrument, sound waves reflected signal will produce a corresponding doppler frequency shift. A complete ultrasonic transmitter circuit and weak ultrasonic signal re-ceiving circuit were researched and designed with STM32F407VCT6 core processing chip. The basic principle of ZoomFFT based on complex modulation was successfully applied to the pipeline flow measurement algorithm,thus a chieving good test results.
Key words : time difference method;ultrasonic wave ; doppler effect; doppler frequency shift ;complex modulation;flow measurement
0引言
流速作为一个重要的水文参数，对于水资源保护、水资源环境评价、防灾减灾和海洋气候等方面都有重要的意义。近年来，伴随着电子技术的不断发展，超声波测流作为个新兴技术应运而生。超声波多普勒管道流速[1-3]测量仪是利用多普勒效应来测量水层流速的装置，适用于含有适量的能够反射超声波信号的颗粒物的水文环境。与传统时差法4}测流相比，超声波管道流速测量仪具有测量精度高、适用性强和不影响管道水流状态等诸多优点，因此广泛用于工农业、水利和水电等部门，
逐渐成为测流的首选工具。 1多普勒测流原理
声学多普勒效应[5]中，当声源和观察者存在相对运动时，观察者接收到的声波频率会偏离声波原来的频率。相对运动速度越大，频率偏移也越大。设发射换能器发射频率为f。的超声波，经过水中颗粒物的反射后，如图1所示，接收换能器接收
到的频率为
c+20csg
e
·fo
(1)
式中：c为超声波在介质水中的传播速度；为水层的水平方向流速。
由式(1)推导可得式(2)：收稿日期：2015-0720
y.9s0%
式中为多普勒频移量。=-fo。
发射换能器接收换能器
超声波发射电路
微得信号接收电路
图1
多普勤测流原理示意图
2系统的硬件设计
(2)
系统的硬件部分大致包括电源模块、STM32F407核心处理模块、通信模块、超声波发射电路、多普勒频移信号接收处理电路（LC选频放大网络[6)、高频信号放大电路、混频器、LC低通滤波电路、中频信号放大电路等共同组成多普勒频移信号接收处理电路）、过零点波形调整电路、温度补偿电路、压力模块等，
硬件框图如图2所示。 2.1温度补偿电路
由流速公式可知，流速与超声波在介质水中的传播速度有关，而声速受温度影响较大。针对上述间题，设计中加人了温度补偿电路，对声速值进行温度修正7，不同的温度值对应不同的声速值，对最后的流速测量结果进行修正来减少误差。