多普勒探頭發(fā)射電路設(shè)計(jì)及仿真 - 新型超聲多普勒流量計(jì)探頭的設(shè)計(jì)

　　超聲波發(fā)射電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲脈沖的發(fā)射是由壓電換能器完成的，它的能量取自高壓脈沖發(fā)生器所提供的高壓電脈沖。在圖2中，通過限流電阻R隔直流電容器CB被充電到VH，在常用的超聲多普勒流量計(jì)中，VH電壓在數(shù)十伏到幾百伏范圍內(nèi)，R、CB時(shí)間常數(shù)由系統(tǒng)的最大脈沖重復(fù)頻率決定。開關(guān)S是一個(gè)快速的電子器件，當(dāng)其激發(fā)時(shí)(接通)，引起一次從隔直流電容器向換能器及其相連的電負(fù)載的電荷轉(zhuǎn)移，此處的電負(fù)載是指電阻與調(diào)諧電感的組合。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射電路與換能器之間有較長的一段有損耗的連接電纜，可用集中傳輸線來模擬電纜的影響。對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用來說，用一個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)代替就可以了。

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　　多普勒探頭采用單元式換能器對(duì)目標(biāo)流體進(jìn)行測量。為兼顧整機(jī)靈敏度，通常使用較高的高壓電源，例如150～350V。圖3給出了一種具體的發(fā)射電路，R2與C2的串聯(lián)為換能器的等效電路。該電路設(shè)計(jì)過程使用National Instrument公司出品的MultiSim軟件進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4所示。輸入2MHz、峰峰值為5V的矩形波，輸出為2MHz、峰峰值為17.8V。

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　　4 實(shí)驗(yàn)與分析

　　超聲多普勒探頭安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。管道外壁上開有與探頭大小匹配的卡槽，將發(fā)射與接收探頭沿直徑方向?qū)ΨQ的嵌人管壁外側(cè)的卡槽中，且收發(fā)射晶片以45°傾角面對(duì)著管道中液流的方向。用黃油、凡士林或硅膠黏合劑等將探頭表面與管道耦合，排除空氣的影響，提高超聲波的穿透能力，并固定使之不隨測試管道的振動(dòng)及外界條件的改變而活動(dòng)。探頭后端的數(shù)據(jù)傳輸線與測試處理電路板連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理并顯示。

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　　應(yīng)用此超聲波多普勒流量計(jì)探頭研究多相流的流量，以紊流模型為基礎(chǔ)，采用模型分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)多相流進(jìn)行總體積流量實(shí)時(shí)在線測量。

　　經(jīng)試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的超聲波換能器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)功率小，使換能器發(fā)出的聲波不致引起被測流體流場形態(tài)的改變，同時(shí)又有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使接收到的聲信號(hào)有最大的信噪比，并且有較好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性;

　　(2)在被測流體流速一定的情況下，能獲得最大的多普勒頻移;

　　(3)在功率一定的情況下，有較大的聲能透射到流體中。