CN206117478U - 一种水平声学多普勒测流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水平声学多普勒测流装置，包括：发射电路和与发射电路相匹配的接收电路，其中，所述发射电路由伪随机序列信号输入部分、隔离电路使能控制部分、输入隔离部分、功率放大部分、输出隔离部分、滤波选频输出部分、电源滤波电源组成，用于对来自于CPU的伪随机序列信号隔离、放大、滤波输出，得到300kHz、100V的正弦波信号。其驱动电路核心芯片采用IR公司的MOSFET驱动芯片IR2110，功率放大器采用IR公司的功率场效应管IRFP250N。

Description

一种水平声学多普勒测流装置

技术领域

本实用新型涉及一种水平声学多普勒测流装置，具体来说，属于一种基于D类功放与高阶椭圆滤波信号处理技术的水平声学多普勒测流装置。

背景技术

目前，H-ADCP与传统测流仪器相比，具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验时间短、测速范围大等特点，是目前几种实现在线流量监测的主要手段之一，不但可以直接测出河流断面流层的流速分布情况，而且可以通过在线监测功能以及软件处理功能，掌握河流断面的流速、流量和流场的变化过程。

对于我国水利行业河道流量监测，国内传统的测量方法主要有转子式流速仪法、浮标法等，测量精度低、耗费人力资源大。随着近年最严格的水资源管理制度的落实，对测流要求不断提高，国外ADCP测流产品被引进我国并广泛应用。与此同时，在国家863计划支持下，国家海洋技术中心，中科院声学所以及杭州应用声学研究所等単位对ADCP测流工程样机进行了研制，但存在运算速度慢和受外界干扰大等缺点。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于提供一种水平声学多普勒测流装置。

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种水平声学多普勒测流装置，包括：发射电路和与发射电路相匹配的接收电路，其中，所述发射电路由伪随机序列信号输入部分、隔离电路使能控制部分、输入隔离部分、功率放大部分、输出隔离部分、滤波选频输出部分、电源滤波电源组成，用于对来自于CPU的伪随机序列信号隔离、放大、滤波输出，得到300kHz、100V的正弦波信号。

优选的是，所述伪随机序列信号输入部分，连接来自ADCP主控制器产生的伪随机序列信号，并将信号输送到输入隔离部分；隔离电路使能控制部分，接收来自于ADCP主控制器对隔离输入部分电路的控制信号，用于控制输入隔离部分启闭。

优选的是，所述输入隔离部分，由美国IR公司生产的IR2110驱动器和二极管、电阻组成，其中，伪随机序列信号从HIN和LIN输入，通过IR2110驱动器对其进行隔离处理并初步放大，通过二极管V1、V2，电阻R1、R2输出至功率放大部分。

优选的是，所述功率放大部分，由两个场效应管IRFP250N以及跨接在该管源射极的阻容网络构成，两个场效应管形成对管工作方式，轮流导通，管的射极轮流输出300kHz脉冲信号，输送至隔离输出部分，另外跨接在源射极的阻容网络的作用是吸收对管高速通断时产生的尖峰干扰信号。

优选的是，所述输出隔离部分，是一个变压器，初级绕组两个，次级绕组一个，两个初级绕组轮流在功率放大部分得到300kHz的脉冲信号，结果是次级输出了一个连续的300kHz脉冲信号，连续的300kHz脉冲信号会进入输出滤波电路进行选频；滤波选频输出部分，为一个串联LC选频电路，由一个电感和一个电容构成，该电路谐振时的频率为300kHz，选频后将最终的信号输出到换能器进行电声转换，以输出300kHz的声波。

优选的是，所述接收电路由换能器匹配电路、发射与接收切换电路、初级放大电路、3阶椭圆滤波电路、2阶自动增益控制电路、后级输出放大电路组成，实现放大来自换能器的微弱信号，供ADCP的主控制器测量采集。

优选的是，所述换能器匹配电路，由一个变压器和电容构成，发射信号时变压器初级信号耦合到次级，次级与电容和换能器并联进行阻抗匹配，最终换能器谐振在300kHz，发出300kHz的声波；接收信号时换能器的微弱信号从变压器的次级耦合到初级，得到与反射声波同频率的电信号。水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述发射与接收切换电路，用于切换电路实现发射信号与接收信号的切换处理，由每一路都是由二极管双向并联构成，原理是利用二极管的正向压降，发射信号时电压远大于二极管的正向压降，二极管处于导通状态，发射信号顺利到达换能器，非发射状态时，换能器接收的声波信号转换成电信号，此信号极其微弱，无法使二极管导通，二极管处于关闭状态，接收信号只能进入初级放大电路。

优选的是，所述初级放大电路，由极低噪声运算放大器AD797加入负反馈电路构成，电路中的参数组合能使AD797的初级放大电路产生30dB的增益；

所述3阶椭圆滤波电路，由3级的LC谐振电路构成，第一阶为LC并联谐振方式，第二阶为LC串联谐振方式，第三阶为LC并联谐振方式，这样构成的滤波器有着极窄的过渡带，但通带内的幅频特性曲线起伏较大，后级需要进行自动增益控制处理。

优选的是，所述2阶自动增益控制电路，由美国AD公司生产的AD603及其***器件组成，增益控制信号由ADCP的主控制器提供，ADCP应用中的电路参数组合能产生-0.5~20dB的可控增益。

优选的是，所述后级放大输出电路是由AD8031构成的低倍数放大电路，该级电压放大倍数不高，主要增加信号的电流输出能力，保证信号到达ADCP主控制器采集端时不产生变形，提供最真实的信号给ADCP主控制器采集。

本实用新型的有益效果是，通过信号发射子***信号发生板块采用D类功放和信号接收***信号处理板块采用时变增益放大、高阶椭圆滤波器，解决发射信号与换能器的匹配问题，以及回波信号的精确提取和还原问题，减少测量误差。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进行详细的描述，以使得本实用新型的上述优点更加明确。

图1是本实用新型水平声学多普勒测流装置中信号发射驱动D类功放电路的结构示意图；

图2是本实用新型水平声学多普勒测流装置中300kHz接收部分的示意图；

图3是某一实施例泵站渠道流量测量的示意图；

图4为某一实施例该渠道一个月每5分钟记录一次的渠道指标流速的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细地说明。

具体来说，本实用新型主要基于D类功放与高阶椭圆滤波信号处理技术的水平声学多普勒测流装置，简称H-ADCP，主要应用于水利行业，测量河流断面流速。

其中，基于D类功放与高阶椭圆滤波信号处理技术的水平声学多普勒测流装置主要由换能器子***、信号发射子***、信号接收子***、数据采集和处理子***、电源管理子***、软件以及其他壳体与底座等模块构成。发明内容主要有：

1、信号发射子***采用D类功放，解决发射信号与换能器的匹配问题，减少测量误差。

发射信号与换能器的匹配问题成为研发过程中的一大难题，主要体现为换能器在不同负载下所表现出来的阻抗会有所改变，导致发射声波的频率在不同水深中会发生变化，直接造成的结果是带来测量上的误差，该误差会随着水深的变化而变化且无规律，没有可修正的方案，这是国内产品线停滞不前的一大因素。本专利提出信号发生部分采用D类功放，信号来源于一个伪随机序列信号，D类功放在对伪随机序列信号实现高效能放大，同时，输出级采用高精度的滤波器取出频率精准的、低谐波成份信号，解决传统功放的能耗、噪声、频偏、相偏等问题，减少测量误差。

2、信号接收***，采用时变增益放大、高阶椭圆滤波器等小信号处理技术，实现信号的精准提取、还原。

声信号被发射到水中后，经过复杂的水环境反射、折射后被换级器重新接收并转换为微弱的同频电信号，谐波成份多、变幅大是回波信号的主要特点，这对后级的数字信号处理算法非常不利，信号中包含大量的谐波成份在频谱上占据了很长一段，如果直接对这样的信号进行数字处理必将面临识别真实的信号难度大，甚至无法准确识别真实的回波信号而导致测量错误的问题，数字信号处理擅长于频谱分析的特点在这里反而成为弱点。本专利从硬件上解决信号特点带来的测量难问题，提出信号处理部分采用时变增益放大、高阶椭圆滤波器等小信号处理技术，解决声波返回信号小、干扰多、幅度变化范围大等特点带来的测量困难，为后级的模数转换电路提供优质模拟信号，实现信号的精准提取、还原。

具体来说，一种水平声学多普勒测流装置，包括：发射电路和与发射电路相匹配的接收电路，其中，所述发射电路由伪随机序列信号输入部分、隔离电路使能控制部分、输入隔离部分、功率放大部分、输出隔离部分、滤波选频输出部分、电源滤波电源组成，用于对来自于CPU的伪随机序列信号隔离、放大、滤波输出，得到300kHz、100V的正弦波信号。

优选的是，所述伪随机序列信号输入部分，连接来自ADCP主控制器产生的伪随机序列信号，并将信号输送到输入隔离部分；隔离电路使能控制部分，接收来自于ADCP主控制器对隔离输入部分电路的控制信号，用于控制输入隔离部分启闭。

优选的是，所述输入隔离部分，由美国IR公司生产的IR2110驱动器和二极管、电阻组成，其中，伪随机序列信号从HIN和LIN输入，通过IR2110驱动器对其进行隔离处理并初步放大，通过二极管V1、V2，电阻R1、R2输出至功率放大部分。

优选的是，所述功率放大部分，由两个场效应管IRFP250N以及跨接在该管源射极的阻容网络构成，两个场效应管形成对管工作方式，轮流导通，管的射极轮流输出300kHz脉冲信号，输送至隔离输出部分，另外跨接在源射极的阻容网络的作用是吸收对管高速通断时产生的尖峰干扰信号。

优选的是，所述输出隔离部分，是一个变压器，初级绕组两个，次级绕组一个，两个初级绕组轮流在功率放大部分得到300kHz的脉冲信号，结果是次级输出了一个连续的300kHz脉冲信号，连续的300kHz脉冲信号会进入输出滤波电路进行选频；滤波选频输出部分，为一个串联LC选频电路，由一个电感和一个电容构成，该电路谐振时的频率为300kHz，选频后将最终的信号输出到换能器进行电声转换，以输出300kHz的声波。

优选的是，所述接收电路由换能器匹配电路、发射与接收切换电路、初级放大电路、3阶椭圆滤波电路、2阶自动增益控制电路、后级输出放大电路组成，实现放大来自换能器的微弱信号，供ADCP的主控制器测量采集。

优选的是，所述换能器匹配电路，由一个变压器和电容构成，发射信号时变压器初级信号耦合到次级，次级与电容和换能器并联进行阻抗匹配，最终换能器谐振在300kHz，发出300kHz的声波；接收信号时换能器的微弱信号从变压器的次级耦合到初级，得到与反射声波同频率的电信号。水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述发射与接收切换电路，用于切换电路实现发射信号与接收信号的切换处理，由每一路都是由二极管双向并联构成，原理是利用二极管的正向压降，发射信号时电压远大于二极管的正向压降，二极管处于导通状态，发射信号顺利到达换能器，非发射状态时，换能器接收的声波信号转换成电信号，此信号极其微弱，无法使二极管导通，二极管处于关闭状态，接收信号只能进入初级放大电路。

优选的是，所述初级放大电路，由极低噪声运算放大器AD797加入负反馈电路构成，电路中的参数组合能使AD797的初级放大电路产生30dB的增益；

所述3阶椭圆滤波电路，由3级的LC谐振电路构成，第一阶为LC并联谐振方式，第二阶为LC串联谐振方式，第三阶为LC并联谐振方式，这样构成的滤波器有着极窄的过渡带，但通带内的幅频特性曲线起伏较大，后级需要进行自动增益控制处理。

优选的是，所述2阶自动增益控制电路，由美国AD公司生产的AD603及其***器件组成，增益控制信号由ADCP的主控制器提供，ADCP应用中的电路参数组合能产生-0.5~20dB的可控增益。

优选的是，所述后级放大输出电路是由AD8031构成的低倍数放大电路，该级电压放大倍数不高，主要增加信号的电流输出能力，保证信号到达ADCP主控制器采集端时不产生变形，提供最真实的信号给ADCP主控制器采集。

本实用新型的有益效果是，通过信号发射子***信号发生板块采用D类功放和信号接收***信号处理板块采用时变增益放大、高阶椭圆滤波器，解决发射信号与换能器的匹配问题，以及回波信号的精确提取和还原问题，减少测量误差。

基于D类功放与高阶椭圆滤波信号处理技术的水平声学多普勒测流装置可用于各地水情中心或预警预报***的的流量监测，便于各有关部门更为及时地、多层面地了解水文情势并作出数据的及时处理和分析，对行业决策十分有利，可以满足国家十三五期间对水利建设现代化、信息化的要求。

更具体地说，如图1所示，TX部件的发射部分是一个D类放大器，它把输入的信号经过功率放大和串联谐振回路后推动发射换能器，发射声脉冲信号。

驱动电路核心芯片采用IR公司的MOSFET驱动芯片IR2110。功率放大器采用IR公司的功率场效应管IRFP250N，它的漏极和源级之间可以承受高达200V的直流电压，漏极可以承受30A的直流电流和120A的脉冲电流，用它可以设计出上千瓦的功放。

一阶滤波器是一个一阶Butterwoth带通滤波器，采用串联谐振回路形式，将方波滤成正弦波后推动发射换能器。

如图2所示，300kHz接收机电路包括匹配电路、收发转接开关、前级放大器、带通滤波器、第一级TVG放大、后置滤波器、第二级TVG放大、后置放大器和电源滤波电路组成。

300kHz接收机主要实现的功能是把换能器输出的小信号经过匹配电路中的隔离变压器匹配成100Ω输出的信号，再进行前级放大器、带通滤波、时变增益放大、后置滤波器、后置放大器后输出到后级A/D部件，放大倍数可通过TVG控制电压进行改变。接收机还将TX部件输出的TX1TX2信号通过收发转接开关隔离变压器送至换能器。

其中，广东省中山市张家边涌泵站渠道流量测量，该泵站渠道直线有效长度为32.6m，宽度30.2m，水深>3m，如附图3所示。

现场情况的特点是测流断面大、波浪较高、水位变化也随涨退潮有较大变化，如采用传统的测流设备进行测量，施工成本、设备后期维护成本等都会是一笔不可忽视的支出，且传统的测流设备精度低、采样周期长、扰乱流场结构等问题，在此背景下，采用基于D类功放与高阶椭圆滤波信号处理技术的水平声学多普勒测流装置。

此外，具体实施方式中，信号发射驱动D类功放电路如图1所示， 300kHz接收部分如图2所示。其中，H-ADCP位于有效直线区域的中间，向斜对岸70°发射两束（上游和下游各一束）300kHz声波，若水是流动的，则反射声波会发生多普勒频移，H-ADCP根据反射声波的频移量可测得各个部分的水流速度，取各部分水流速度和部分水流横截面积乘积即可测得渠道的瞬时流量。H-ADCP最快可在30s内测得一组完整的渠道瞬时流量，配合远程RTU以及GPRS通信模块，数据中心可远程获得渠道各个时间段的流量信息以及流量变化趋势，附图4为H-ADCP在该该渠道一个月每5分钟记录一次的渠道指标流速，从图中可知该渠道平均流速约为0.1m/s，数据中心可通过指标流速、水位以及现场各种实际情况（如渠道宽度）来计算得出对应时刻的瞬时流量。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平声学多普勒测流装置，其特征在于，包括：发射电路和与发射电路相匹配的接收电路，其中，所述发射电路由伪随机序列信号输入部分、隔离电路使能控制部分、输入隔离部分、功率放大部分、输出隔离部分、滤波选频输出部分、电源滤波电源组成，用于对来自于CPU的伪随机序列信号隔离、放大、滤波输出，得到300kHz、100V的正弦波信号。

2.根据权利要求1所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述伪随机序列信号输入部分，连接来自ADCP主控制器产生的伪随机序列信号，并将信号输送到输入隔离部分；隔离电路使能控制部分，接收来自于ADCP主控制器对隔离输入部分电路的控制信号，用于控制输入隔离部分启闭。

3.根据权利要求1或2所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述输入隔离部分，由美国IR公司生产的IR2110驱动器和二极管、电阻组成，其中，伪随机序列信号从HIN和LIN输入，通过IR2110驱动器对其进行隔离处理并初步放大，通过二极管V1、V2，电阻R1、R2输出至功率放大部分。

4.根据权利要求1或2所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述功率放大部分，由两个场效应管IRFP250N以及跨接在该管源射极的阻容网络构成，两个场效应管形成对管工作方式，轮流导通，管的射极轮流输出300kHz脉冲信号，输送至隔离输出部分，另外跨接在源射极的阻容网络的作用是吸收对管高速通断时产生的尖峰干扰信号。

5.根据权利要求1或2所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述输出隔离部分，是一个变压器，初级绕组两个，次级绕组一个，两个初级绕组轮流在功率放大部分得到300kHz的脉冲信号，结果是次级输出了一个连续的300kHz脉冲信号，连续的300kHz脉冲信号会进入输出滤波电路进行选频；滤波选频输出部分，为一个串联LC选频电路，由一个电感和一个电容构成，该电路谐振时的频率为300kHz，选频后将最终的信号输出到换能器进行电声转换，以输出300kHz的声波。

6.根据权利要求1或2所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述接收电路由换能器匹配电路、发射与接收切换电路、初级放大电路、3阶椭圆滤波电路、2阶自动增益控制电路、后级输出放大电路组成，实现放大来自换能器的微弱信号，供ADCP的主控制器测量采集。

7.根据权利要求6所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述换能器匹配电路，由一个变压器和电容构成，发射信号时变压器初级信号耦合到次级，次级与电容和换能器并联进行阻抗匹配，最终换能器谐振在300kHz，发出300kHz的声波；接收信号时换能器的微弱信号从变压器的次级耦合到初级，得到与反射声波同频率的电信号，水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述发射与接收切换电路，用于切换电路实现发射信号与接收信号的切换处理，由每一路都是由二极管双向并联构成，原理是利用二极管的正向压降，发射信号时电压远大于二极管的正向压降，二极管处于导通状态，发射信号顺利到达换能器，非发射状态时，换能器接收的声波信号转换成电信号，此信号极其微弱，无法使二极管导通，二极管处于关闭状态，接收信号只能进入初级放大电路。

8.根据权利要求6所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述初级放大电路，由极低噪声运算放大器AD797加入负反馈电路构成，电路中的参数组合能使AD797的初级放大电路产生30dB的增益；

所述3阶椭圆滤波电路，由3级的LC谐振电路构成，第一阶为LC并联谐振方式，第二阶为LC串联谐振方式，第三阶为LC并联谐振方式，这样构成的滤波器有着极窄的过渡带，但通带内的幅频特性曲线起伏较大，后级需要进行自动增益控制处理。

9.根据权利要求6所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述2阶自动增益控制电路，由美国AD公司生产的AD603及其***器件组成，增益控制信号由ADCP的主控制器提供，ADCP应用中的电路参数组合能产生-0.5~20dB的可控增益。

10.根据权利要求6所述的水平声学多普勒测流装置，其特征在于，所述后级放大输出电路是由AD8031构成的低倍数放大电路，该级电压放大倍数不高，主要增加信号的电流输出能力，保证信号到达ADCP主控制器采集端时不产生变形，提供最真实的信号给ADCP主控制器采集。