多普勒探头发射电路设计及仿真 - 新型超声多普勒流量计探头的设计

　　超声波发射电路的基本结构如图2所示。超声脉冲的发射是由压电换能器完成的，它的能量取自高压脉冲发生器所提供的高压电脉冲。在图2中，通过限流电阻R隔直流电容器CB被充电到VH，在常用的超声多普勒流量计中，VH电压在数十伏到几百伏范围内，R、CB时间常数由系统的最大脉冲重复频率决定。开关S是一个快速的电子器件，当其激发时(接通)，引起一次从隔直流电容器向换能器及其相连的电负载的电荷转移，此处的电负载是指电阻与调谐电感的组合。在实际应用中，发射电路与换能器之间有较长的一段有损耗的连接电缆，可用集中传输线来模拟电缆的影响。对大多数的应用来说，用一个LC网络代替就可以了。

　　多普勒探头采用单元式换能器对目标流体进行测量。为兼顾整机灵敏度，通常使用较高的高压电源，例如150～350V。图3给出了一种具体的发射电路，R2与C2的串联为换能器的等效电路。该电路设计过程使用National Instrument公司出品的MultiSim软件进行了仿真，结果如图4所示。输入2MHz、峰峰值为5V的矩形波，输出为2MHz、峰峰值为17.8V。

　　4 实验与分析

　　超声多普勒探头安装结构示意图如图5所示。管道外壁上开有与探头大小匹配的卡槽，将发射与接收探头沿直径方向对称的嵌人管壁外侧的卡槽中，且收发射晶片以45°倾角面对着管道中液流的方向。用黄油、凡士林或硅胶黏合剂等将探头表面与管道耦合，排除空气的影响，提高超声波的穿透能力，并固定使之不随测试管道的振动及外界条件的改变而活动。探头后端的数据传输线与测试处理电路板连接，进行数据运算处理并显示。

　　应用此超声波多普勒流量计探头研究多相流的流量，以紊流模型为基础，采用模型分析和实验相结合的方法，对多相流进行总体积流量实时在线测量。

　　经试验，本设计的超声波换能器具有如下优点：

　　(1)功率小，使换能器发出的声波不致引起被测流体流场形态的改变，同时又有足够的强度和稳定性，使接收到的声信号有最大的信噪比，并且有较好的时间稳定性和温度稳定性;

　　(2)在被测流体流速一定的情况下，能获得最大的多普勒频移;

　　(3)在功率一定的情况下，有较大的声能透射到流体中。