CN221078690U - 一种水文专用缆道式超声波多普勒测流*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，包括供电单元、信号输出单元、主处理器、通信单元、超声波测量单元；所述超声波测量单元通过FPGA控制器与主处理器双向传输信号；所述主处理器分别与供电单元、信号输出单元和通信单元相连。本实用新型具有实用性高、测量范围广、测量精度高、响应速度快、数据处理方便等优点的测流***。

Description

一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***。

背景技术

在目前的水文***中，传统的铅鱼式旋浆流速仪是一种常见的流速测速设备，其工作原理是当水流作用到仪器的感应元件旋桨时，旋桨即产生回转运动，其回转率“n”与流速"V”之间存在着一定的函数关系V＝f(n),此关系是通过检定水槽的实验确定的。实验表明，当流速在0.1/s以上时，旋桨式流速仪的检定公式为一线性关系。虽然该技术成熟且使用广泛，在某些环境下依然有其优势，但也存在一些问题和局限性。

1.测量精度受限：铅鱼式旋浆流速仪需要对流体进行干扰，并且测量结果还会受到沉积物、水流湍流等因素的影响，因此在测量精度方面存在一定的受限性。需要一定的流速才能进行测量，如果流速太低可能会无法进行测量。

2.容易损坏：传统铅鱼式旋浆流速仪的身体结构复杂，因此极易受到水草等物质的缠绕，需要定期进行维护。

3.响应时间长：传统的旋浆式流速仪需要等待铅鱼达到一个稳定状态，才能获得一个代表性的数据，因此实时性相对较差，并可能会造成一定误差。

4.操作复杂：铅鱼式旋浆流速仪需要人工进行读数并手动计算，需要较高的操作技能和经验，并且测量数据需要手工记录和处理。

因此，在某些情况下，传统的铅鱼式旋浆流速仪可以发挥其优势；但随着科技的发展和技术的进步。一种水文专用缆道式多普勒流速仪在水文***中，相比于铅鱼式旋浆流速仪更有优势。其具有更高的精度、实时性和操作便捷性，且应用范围更广。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，包括供电单元、信号输出单元、主处理器、通信单元、超声波测量单元；所述超声波测量单元通过FPGA控制器与主处理器双向传输信号；所述主处理器分别与供电单元、信号输出单元和通信单元相连。

进一步的，所述供电单元包括锂电池供电***和升压电路；所述锂电池供电***通过升压电路与主处理器相连。

进一步的，所述信号输出单元为用于将测量的流速信号转换成脉冲信号供外部终端接收流速信号的开关量输出电路。

进一步的，所述通信单元为用于将数据传输到手持终端显示数据的蓝牙无线通信模块。

进一步的，所述超声波测量单元包括与FPGA控制器相连的信号发生器整形电路；所述信号发生器整形电路通过D类功率放大器与超声波换能器相连；所述超声波换能器通过T/R切换开关与滤波单元相连；所述滤波单元通过高速模数转换器与FPGA控制器相连；所述超声波换能器通过T/R切换开关向滤波单元传输信号，经过滤波单元处理的信号通过高速模数转换器后传输给FPGA控制器。

进一步的，所述超声波换能器为2MHZ超声波换能器。

进一步的，所述滤波单元包括与T/R切换开关相连的差分放大电路；所述差分放大电路通过T型带通滤波器与自动增益放大器相连；所述自动增益放大器通过锁相环电路与高速模数转换器相连。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：

1.实用性强：利用超声波技术探测流速，测量点在机体前方，不破坏流场；无转动部件，不惧泥沙堵塞和水草缠绕，探头坚固耐用，不存在泥沙堵塞或水草、杂物缠绕等问题，最适用于泥沙悬浮物含量高，水草等漂浮物多和极其严苛的冰期场合的河流中测量。

2.测量范围广：水文专用缆道式多普勒流速仪适用于各种水体环境的流速测量，可在深水、浅水和河底等多样性环境下进行操作，测量范围广。

3.高精度测量：水文专用缆道式多普勒流速仪的流速测量结果具有高精度，可以对水流的低速流场甚至零流场进行细致的研究和分析。

4,快速响应：水文专用缆道式多普勒流速仪采用的是超声波传感器，具有快速响应的特点，能够0.2秒内获取流场中的流速信息。

5.数据记录方便：水文专用缆道式多普勒流速仪可以将测量数据记录在本地计算机中，进行后续的数据处理和分析，方便数据的管理和利用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型结构示意图；

附图说明：1、主处理器；2、开关量输出电路；3、升压电路；4、蓝牙无线通信模块；5、信号发生器整形电路；6、D类功率放大器；7、2MHZ超声波换能器；8、T/R切换开关；9、差分放大电路；10、T型带通滤波器；11、自动增益放大器；12、锁相环电路；13、高速模数转换器；14、FPGA控制器；15、锂电池供电***。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例，请参照图1所示：

一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，包括供电单元、信号输出单元、主处理器1、通信单元、超声波测量单元。

本实用新型的一实施例中，所述供电单元包括锂电池供电***15和升压电路3；所述锂电池供电***15通过升压电路3与主处理器1相连；

本实用新型的一实施例中，所述信号输出单元为用于将测量的流速信号转换成脉冲信号供外部终端接收流速信号的开关量输出电路2；

本实用新型的一实施例中，所述通信单元为用于将数据传输到手持终端显示数据的蓝牙无线通信模块4；所述手持终端可以为便携电脑、PDA等设备；

本实用新型的一实施例中，所述超声波测量单元包括与主处理器1双向传输信号的FPGA控制器14、信号发生器整形电路5、D类功率放大器6、超声波换能器、T/R切换开关8、滤波单元、高速模数转换器13；

本实用新型的一实施例中，所述超声波换能器为2MHZ超声波换能器7；

本实用新型的一实施例中，所述滤波单元包括与T/R切换开关8相连的差分放大电路9；所述差分放大电路9通过T型带通滤波器10与自动增益放大器11相连；所述自动增益放大器11通过锁相环电路12与高速模数转换器13相连；

所述的主处理器1与开关量输出电路2相连；

所述的主处理器1与蓝牙无线通信模块4相连；

所述的主处理器1与超声波测量单元相连；

所述的信号FPGA控制器14与发生器整形电路5相连；

所述的发生器整形电路5与D类功率放大器6相连；

所述的D类功率放大器6与2MHZ超声波换能器7相连；

所述的2MHZ超声波换能器7与T/R切换开关8相连；

所述的高速模数转换器13与FPGA控制器14相连。

工作原理：

本实用新型主处理器1用于***逻辑控制总调度。

本实用新型开关量输出电路2用于将测量的流速信号转换成脉冲信号供外部终端接收流速信号。

本实用新型升压电路3将电池供电的低压转换成12VDC。

本实用新型蓝牙无线通信模块4将数据传输到手持终端显示数据。

本实用新型信号发生器整形电路5将矩形波信号转换成正弦波信号。

本实用新型D类功率放大器6由于超声波换能器是电压型驱动器件，所以必须提高驱动电压。

本实用新型2MHZ超声波换能器7将电信号转换成声信号。

本实用新型T/R切换开关8用于将发射高压截断，接收到的低压信号导通，用于保护后级接收电路。

本实用新型差分放大电路9有效的去除共模干扰信号。

本实用新型T型带通滤波器10进一步滤除差模干扰信号

本实用新型自动增益放大器11接收到的声波幅值大小自适应放大控制。

本实用新型锁相环电路12有效去除高频干扰信号，采用的方式是锁定接收到信号上升沿后再延迟90度相位，可以去除边沿高频信号。

本实用新型高速模数转换器13将模拟信号转换成数字信号便于数字信号分析。

本实用新型FPGA控制器14用于提供超声波驱动时序信号，并且采用数字信号处理***快速解析流速信号，将结果传输至主处理器1。

本实用新型锂电池供电***15给***提供电源。

水文专用缆道式超声波多普勒测流***的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收器上。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速。进而可以得到流体的流量。因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质，这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用。

根据多普勒频移方程，频移的大小：

式中：

△Fd——多普勒频移

F0——发射超声波频率

C——水中声速

V——水的流速

θ——发射波束和接收波束相对于河水流方向的夹角

C>>V·cosθ

<1>式可简化为：

所以:

超声波发射频率为常数，换能器夹角安装后固定不变，所以K为常数。由式<3>可见，流速V和多普勒频移△Fd，水的声速C成正比，只要检测出多普勒频移△Fd和水的声速C，即可计算出流速。在本仪器中，C由温度值换算得来。

本实用新型采用多普勒原理进行流速测量，具有实用性高、测量范围广、测量精度高、响应速度快、数据处理方便等优点的测流***。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：包括供电单元、信号输出单元、主处理器(1)、通信单元、超声波测量单元；所述超声波测量单元通过FPGA控制器(14)与主处理器(1)双向传输信号；所述主处理器(1)分别与供电单元、信号输出单元和通信单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述供电单元包括锂电池供电***(15)和升压电路(3)；所述锂电池供电***(15)通过升压电路(3)与主处理器(1)相连。

3.根据权利要求1所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述信号输出单元为用于将测量的流速信号转换成脉冲信号供外部终端接收流速信号的开关量输出电路(2)。

4.根据权利要求1所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述通信单元为用于将数据传输到手持终端显示数据的蓝牙无线通信模块(4)。

5.根据权利要求1所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述超声波测量单元包括与FPGA控制器(14)相连的信号发生器整形电路(5)；所述信号发生器整形电路(5)通过D类功率放大器(6)与超声波换能器相连；所述超声波换能器通过T/R切换开关(8)与滤波单元相连；所述滤波单元通过高速模数转换器(13)与FPGA控制器(14)相连；所述超声波换能器通过T/R切换开关(8)向滤波单元传输信号，经过滤波单元处理的信号通过高速模数转换器(13)后传输给FPGA控制器(14)。

6.根据权利要求5所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述超声波换能器为2MHZ超声波换能器(7)。

7.根据权利要求5所述的一种水文专用缆道式超声波多普勒测流***，其特征在于：所述滤波单元包括与T/R切换开关(8)相连的差分放大电路(9)；所述差分放大电路(9)通过T型带通滤波器(10)与自动增益放大器(11)相连；所述自动增益放大器(11)通过锁相环电路(12)与高速模数转换器(13)相连。