CN104614545B

CN104614545B - 流速计

Info

Publication number: CN104614545B
Application number: CN201310537578.6A
Authority: CN
Inventors: 曹昺昌; 林宏俊; 邱上峰; 蔡佩珊; 张继禾; 许盈松; 刘建荣; 黄志伟
Original assignee: Jun Li Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Jun Li Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN104614545A

Abstract

本发明提供一种流速计，其利用锁相回路来产生一输出信号，将该输出信号发射至待测水流，并接收自所述待测水流的反射信号。所述流速计根据所述反射信号与所述输出信号的频率差，以及流速计自身的垂直俯角以及水平角，来计算所述待测水流的流速。所述流速计还包含水平仪装置，可侦测流速计的垂直俯角，进而达到自动补偿夹角所导致的误差的效果。

Description

流速计

技术领域

本发明揭露一种流速计，尤其是指一种发射特定频率的连续波，通过输出波频率与反射波的频率差值来侦测水流流速的流速计。

背景技术

流速计是用来侦测待测水流的流速，例如用来得知河川或溪流的水流流速，在得知流速之后，便可以判断一定时间内的水量大小，进而评估下游是否会发生灾害，或评估下游水库是否需要泄洪。

在传统的流速计中，除了机械涡流阀的测速装置之外，较为人所知的是超音波多普勒雷达(ADV：Acoustic Doppler velocimeter)。超音波多普勒雷达利用三个数组的传感器(transducers)测量河水或流体在二维或三维一个单点的流速。在中间的传感器沿该装置的轴线发射一个大功率脉冲声波，并由旁边三个数组的传感器进行接收。

根据多普勒原理，在河川或水库对各方向射出的声波，会被流体中的悬浮颗粒反射，通过上述的传感器接收后，多普勒雷达便会根据音频的改变情形判断颗粒的运动方向，并利用多普勒原理换算出所述颗粒的速度，假设所述颗粒随水流运动，则所述颗粒的流速流向可视为水流的流速流向。

然而，超音波多普勒雷达需要精准的架设，才能解出不同维度的速度分量，且超音波多普勒雷达对流体中任何存在的悬浮颗粒皆会反射，若是水中有大量杂质(如砂土、石块等)，都会造成该系统的误判，此外，超音波多普勒雷达并不合适对远距离的河川及水库进行流速量测。

因此，微波多普勒雷达遂应运而生，不同于上述超音波多普勒雷达采脉冲波的测速方式，微波多普勒雷达直接采用连续波(continuous wave)或调频连续波(frequencymodulated continuous wave)对流速进行长时间的量测，以求取流速的平均值，因此，微波多普勒雷达无须精准的架设与流速分析。一般微波多普勒雷达的量测方程式如下：

其中v为雷达对水流的相对速度，θ为速度向量在水流方向与雷达中心点连线上的夹角，λ为输出信号(一般为射频信号)的中心频率的波长。

然而，微波多普勒雷达亦有其缺点：

首先，根据上述方程式(1)，多普勒频移F_d直接与射频信号的中心频率相关，但中心频率容易受温度变化和时间改变，造成射频信号的中心频率漂移，进而造成多普勒频移的误差。

再者，水流流速向量与微波多普勒雷达中心点连线夹角会产生误差，此误差来自于微波多普勒雷达的架设角度不准确所致，举例来说，θ夹角设为90度时，天线场型与水面垂直，但由上述公式得知其速度分量为0，此外，若要得到最大速度分量时，则其θ夹角对应为0度，此时微波多普勒雷达须架设在水面(流体表面)。

因此，业界须开发出一种新式流速计，以解决上述问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种流速计，其能稳定提供具有一定中心频率的输出信号，并且能根据其架设角度，进行自我校正，以解决上述的问题。

根据本发明的一实施例，本发明揭露一种流速计，用来测量一待测水流的水流速度，所述流速计包含有：一信号产生模块，一信号接收模块，一水平仪装置，以及一信号处理模块。所述信号产生模块包含有：一锁相回路，用来产生具有一第一频率的一连续波信号；以及一升频电路，电连接至所述锁相回路，用来对所述连续波信号进行升频，以产生具有一第二频率的一输出信号，并将所述输出信号输出至所述待测水流。所述信号接收模块是用来接收自所述待测水流反射的一反射信号，其中所述反射信号具有一第三频率。所述水平仪装置是用来侦测所述流速计的一垂直俯角以及一水平角。所述信号处理模块电连接至所述信号接收模块以及所述水平仪装置，用来根据所述第三频率与所述第二频率的差值、所述垂直俯角以及所述水平角，计算所述待测水流的流速。

根据本发明的另一实施例，本发明揭露一种流速计，用来测量一待测水流的水流速度，所述流速计包含有：一信号产生模块，一信号接收模块，一水平仪装置，以及一信号处理模块。所述信号产生模块包含有一锁相回路，用来将具有一第一频率的一连续波信号升频以产生具有一第二频率的一输出信号。所述信号接收模块是用来接收自所述待测水流反射的一反射信号，其中所述反射信号具有一第三频率。所述水平仪装置是用来侦测所述流速计的一垂直俯角以及一水平角。所述信号处理模块电连接至所述信号接收模块以及所述水平仪装置，用来根据所述第三频率与所述第二频率的差值、所述垂直俯角以及所述水平角，计算所述待测水流的流速。

根据本发明的另一实施例，本发明揭露一种流速计，用来测量一待测水流的水流速度，所述流速计包含有：一信号产生模块，一信号接收模块，以及一信号处理模块。所述信号产生模块包含有一锁相回路，用来产生具有一第一频率的一连续波信号；以及一升频电路，电连接至所述锁相回路，用来对所述连续波信号进行升频，以产生具有一第二频率的一输出信号，并将所述输出信号输出至所述待测水流。所述信号接收模块是用来接收自所述待测水流反射的一反射信号，其中所述反射信号具有一第三频率。所述信号处理模块电连接至所述信号接收模块，用来根据所述第三频率与所述第二频率的差值，计算所述待测水流的流速。

相较于现有技术，本发明的流速计能够稳定输出一具有特定中心频率的输出信号，并且可根据其自身的架设角度进行自动校正，因此，本发明的流速计不会因为输出信号的中心频率偏移以及其自身的架设角度，而造成多普勒频移的误差，换言之，本发明的流速计在温度以及时间的影响下，依然可以准确的测量待测水流的流速。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1为本发明流速计的功能结构示意图。

图2为一锁相回路的功能结构示意图。

图3为本发明的锁相回路详细功能结构示意图。

图4为本发明流速计的垂直俯角与水流夹角误差修正示意图。

图中的标号分别表示：

100、流速计； 130、水平仪装置；

110、信号产生模块 140、信号处理模块；

120、信号接收模块； 111、200、锁相回路；

112、升频电路； 113、放大器；

114、循环器； 115、带通滤波器；

1111、频率合成器； 1112、220、回路滤波器；

1113、230、压控震荡器； 1114、240、1116、除频器；

121、低噪声放大器； 122、混频器；

123、低通滤波器； 1115、210、相位检测器；

131、接口； 1117、震荡器。

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明流速计100的功能结构示意图。如图1所示，本发明流速计100包含有信号产生模块110、信号接收模块120、水平仪装置130以及信号处理模块140。信号产生模块110是用来产生特定频率的连续波信号，在本发明一较佳实施例中，所述输出信号为一射频信号。如图1所示，信号产生模块110包含有一锁相回路111、一升频电路112、一放大器113、一循环器(circulator)114以及一带通滤波器115；而这些组件的电连接方式如图1所示，信号处理模块140电连接至信号产生模块110，信号接收模块120，以及水平仪装置130。

在此请注意，本发明在信号产生模块110中，采用锁相回路111来产生具有一第一频率的连续波信号；由于锁相回路111本身具有反馈系统，因此其产生出来的信号相当稳定，不会因为时间或是温度的影响而产生偏移。换言之，所述连续波信号的中心频率会稳定维持在第一频率，如此一来，信号产生模块110所输出的输出信号也会具有稳定的中心频率，而不会导致之后多普勒频移的偏移。

在此请先参阅图2，图2为锁相回路200的功能结构示意图。图2绘示了锁相回路的基本架构，锁相回路200包含有相位检测器(phase/frequency detector)210、回路滤波器220、压控震荡器230以及除频器240。而其基本运作原理如下：首先，相位检测器210会比较参考信号f₁以及除频器240输出的除频信号f₂(此为压控震荡器230的输出信号经过除频后的结果)，并根据比较结果输出相位差信号。回路滤波器200将所述相位差信号中的高频信号及部分噪声滤除，以输出一控制电压至压控振荡器230；压控震荡器230会根据直流电压，产生一输出信号f_o。

如图2可知，锁相回路200形成一个负反馈机制，此机制会使参考信号f₁与除频信号f₂相等。换言之，当参考信号f₁与除频信号f₂的频率及相位不相同时，上述的过程将持续被进行，直到参考信号f₁与除频信号f₂的频率及相位皆相同为止，此时，系统进入稳定状态，压控震荡器所输出的输出信号f_o的频率就会保持稳定(为参考信号f₁的N倍)而不会再有频率漂移现象。

如前所述，本发明便是利用锁相回路这样的性质，来稳定输出信号的频率。在此请继续参阅图1，锁相回路110亦包含类似的组件。在本实施例中，锁相回路111包含频率合成器1111、回路滤波器1112和压控震荡器1113。其中，频率合成器1111包含有除频器1114以及相位检测器1115，相位检测器1115的功能与上述的相位检测器210类似，其用来比较参考信号f₁以及除频器1114输出的除频信号f₂(此为压控震荡器1113的输出信号经过除频后的结果)，并根据比较结果输出相位差信号。回路滤波器1112则与上述的回路滤波器220相同，用来将所述相位差信号中的高频信号及部分噪声滤除，以输出控制电压至压控振荡器1113；压控震荡器1113则与上述的压控震荡器230相同，会根据直流电压，产生一输出信号f_o。

如此一来，输出信号f_o的中心频率便会稳定地保持在预设的第一频率，不会因为温度或时间而漂移。此外，在此请注意，频率合成器1111是由信号处理模块140控制，这代表输出信号f_o的中心频率是由信号处理模块控制。

在此请参阅图3，图3为本发明的锁相回路111详细功能结构示意图。在图3中，频率合成器1111包含有相位检测器1115、除频器1114以及除频器1116。在本实施例中，相位检测器115比较参考信号f₁(震荡器1117输出信号经过除频器1116除频后的结果)以及除频器1114输出的除频信号f₂(此为压控震荡器1113的输出信号经过除频后的结果)，并根据比较结果输出相位差信号。回路滤波器1112将所述相位差信号中的高频信号及部分噪声滤除，以输出控制电压至压控振荡器1113；压控震荡器1113则会根据直流电压，产生输出信号f_o。

其中，信号处理模块140是用来控制除频器1114的除频率，通过这样的控制，可使压控震荡器1113的输出信号具有预设的第一频率。

在此请注意，这样的设计仅为本发明的一实施例，而非本发明的限制。举例来说，信号处理模块140可以另外用来控制除频器1116，如此一来，输入至相位检测器1115的参考信号便可以由信号处理模块140控制，进而控制压控震荡器1113的输出信号。如此的相对应变化，也属本发明的范畴。

接着，压控震荡器1113的输出信号会经过升频电路112升频，而成为具有第二频率的高频信号(射频信号)，这第二频率为第一频率的整数倍，例如二倍或四倍。在此请注意，在本实施例中，信号产生模块110与信号接收模块120中，并不以载波的工作频率作为内部每一个电路模块的设计频率，因为频率愈高其表面肌肤效应愈大，即是在同一介质厚度板材下单位长度的微带线(Microstrip Line)的功率耗损愈大。因此在本发明中，其压控震荡器1113、所有的主被动组件与微带线设计，均以1/2或1/4的射频工作频段进行设计开发，直至与天线模块的收发端，再将频率提高至射频工作频段，如此可降低整体微带线的信号损耗，减少高频组件的成本。

因此，在本实施例中，升频电路112便是用来升频，将原本由压控震荡器1113输出的输出信号，由原本的第一频率，提升至第二频率，最后经过循环器114以及带通滤波器115的处理之后，便输出至待测水流上。

而待测水流会反射所述输出信号，以产生一反射信号，由于多普勒效应的影响，根据不同的流速，信号接收模块120所接收到的反射信号，会具有不同的频率，在此将信号接收模块120端所接收到的信号频率定为一第三频率。通过第三频率以及第二频率的差值(多普勒频移)，便可得知待测水流的流速为何。而在实际操作中，信号接收模块120包含有低噪声放大器121、混频器122以及低通滤波器123。低噪声放大器121接收到反射信号后，会将其进行放大处理，而随后的混频器122会将输出信号与反射信号进行混波，以得到中频信号；而低通滤波器123会对所述中频信号进行低通滤波，以得到差频信号。所述差频信号会传送至信号处理模块140，以进行运算，来计算出流速。

在此请注意，如前所述，由于流速计可能并非安装在完全水平的状态下，这样会使流速计在计算多普勒频移时产生误差，进而影响到流速计对于流速的计算结果。因此，本发明流速计100可以补偿流速计的安装角度误差，在本实施例中，流速计100包含水平仪装置130，水平仪装置130是用来侦测流速计的垂直俯角α以及水平角θ。而水平仪装置130通过RS-232或SPI接口131电连接至信号处理模块140，通过所述接口131，水平仪装置130可将其侦测出来的垂直俯角α输出至信号处理模块140，使信号处理模块140读取所述垂直俯角α，并根据水平角θ、垂直俯角α以及第二频率与第三频率的频率差(多普勒频移)，计算出正确的流速。在此请参阅图4，图4为本发明流速计的垂直俯角α与水平角θ误差修正示意图。在图4中可知，流速计100可根据下列方程式(2)重新计算出正确的流速。

Ｖ·Cos(α) ·cos(θ)= (f_d·C)/(2·f) (2)

其中，V代表流速，代表f_d多普勒频移，C为光速，f代表流速计所输出的信号的中心频率(第二频率)。请再次参阅图4，其中，水平角θ表示流速计100与水流方向的夹角，而垂直俯角α表示流速计100发射连续波信号的直线方向与水面的夹角。流速计100可以预先根据不同水面高度和水流方向记录各种不同的调整量。所以流速计100在使用时，由水平仪装置130可以根据不同的水面高度和水流方向读出数据，并传送给信号处理模块140，以供流速计算之用。如此一来，信号处理模块140便可得知所有信息，包括多普勒频移、输出信号的中心频率、水平角θ以及垂直俯角α，利用这些信息，以及上述的方程式(2)，信号处理模块140便可计算出待测水流的流速。

在此请注意，在上述的实施例中，本发明包含有升频电路以及水平仪装置。然而，此仅为本发明的一优选实施例，而非本发明的限制。举例来说，本发明亦可不采用升频电路，那么便代表内部组件可使用相对应的高频组件，在压控震荡器便直接产生出符合载波频率的输出信号。另一方面，若本发明亦可不采用水平仪装置，那么便代表信号处理模块仅根据两者的多普勒频移来计算出待测水流的流速，此计算方式应为业界所已知，故不另赘述于此。换言之，在实际应用上，升频电路与水平仪装置仅为一选择性(optional)的组件，电路设计者亦可选择性地置入或移除这两个组件，如此的相对应变化，也属本发明的范畴。

相较于现有技术，本发明流速计具有稳定的输出信号，其中心频率不因时间或温度有所变动；此外，本发明流速计具有升频电路，可使大部份组件皆操作在较低频的环境之中，如此便节省了成本，降低整体微带线的损耗；再者，本发明流速计具有水平仪装置，可侦测流速计的垂直俯角，进而达到自动补偿夹角所导致的误差的效果。综上所述，本发明的流速计具有较高的效能，不因环境或人为操作而受到影响，可准确地计算出待测水流的流速。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种流速计，用来测量一待测水流的水流速度，其特征在于，所述流速计包含有：

一信号产生模块，包含有：一锁相回路，用来产生具有一第一频率的一连续波信号；以及一升频电路，电连接至所述锁相回路，用来对所述连续波信号进行升频，以产生具有一第二频率的一输出信号，并将所述输出信号输出至所述待测水流；

一信号接收模块，用来接收自所述待测水流反射的一反射信号，其中所述反射信号具有一第三频率；

一水平仪装置，用来侦测所述流速计的一垂直俯角以及一水平角；以及

一信号处理模块，电连接至所述信号接收模块以及所述水平仪装置，用来根据所述第三频率与所述第二频率的差值、所述垂直俯角以及所述水平角，计算所述待测水流的流速。

2.根据权利要求1所述的流速计，其特征在于，所述第二频率为所述第一频率的整数倍。

3.根据权利要求2所述的流速计，其特征在于，所述第二频率为所述第一频率的两倍。

4.根据权利要求1所述的流速计，其特征在于，所述锁相回路电连接至所述信号处理模块，所述信号处理模块产生一控制信号，所述锁相回路接收所述控制信号，并根据所述控制信号产生所述连续波信号。

5.根据权利要求4所述的流速计，其特征在于，所述锁相回路包含有：

一压控震荡器，用来根据一控制电压，产生所述连续波信号；

一可控制式除频器，电连接至所述压控震荡器以及所述信号处理模块，用来根据所述控制信号，对所述连续波信号进行除频，以产生一除频信号；

一相位检测器，电连接至所述可控制式除频器，用来比较一参考信号以及所述除频信号的相位差，以产生一相位差信号；以及

一回路滤波器，电连接至所述相位检测器以及所述压控震荡器，用来根据所述相位差信号，产生所述控制电压。

6.根据权利要求1所述的流速计，其特征在于，所述水平仪装置为一微机电水平仪装置，通过一接口电连接至所述信号处理模块，以允许所述信号处理模块直接通过所述接口从所述微机电水平仪装置读取所述垂直俯角以及所述水平角。

7.根据权利要求6所述的流速计，其特征在于，所述接口为RS-232或SPI接口。