of all the methods proposed in this dissertation，and the test show that this intelligent ultrasonic
flowmeter has high accuracy .
Keyword：flow measurement；Ultrasonic Doppler
Abstract ： Ultrasonic Flow meter is one of the most promising three methods in flow
measurement .But present researches on Doppler flowmeters for pipe-flow measurement have
( ) S fdi 是 i 颗粒功率谱线强度[6]，则：
N
∑ fdi × S( fdi )
f d = i=1 N
(10)
∑ S( fdi )
i=1
取样域内流体的平均流速可表示为：
f _
u=
c0
×
2 f0 sinφ0
_
d
(11)
只要求得中线处的液体流速，根据公式(6)和公式(11)，在已知的管道的 k, r 情况下，可以计
0 引言
在石油化工中，对易燃易爆液体的输送和分配等高精度计量中，采用非介入式超声波流
量计是一种有效的测量方法。但目前国内外管道用多普勒超声波流量计的性能普遍不高，存
在着不能判断液体流速方向、低速测量难、动态响应速度慢、实时性差等诸多问题，这就造
成多普勒超声波测量技术停滞不前的主要原因。
本论文首先介绍管道中非牛顿流体流动时的速度分布规律，然后根据超声波在流体中传
poor performance .In order to meet the testing requirement of intelligent and non-contact，this
paper give the project’s software and hardware methods. The test results demonstrate the validity
的压力梯度。
若管内流体的速度仅在一个方向上变化时，幂律流体的τ 一般可表示为：
( n −1)
τ = k du du
(3)
dy dy
令 G = − dp dz ，则方程(2)可化为：
1
− du
= ⎜⎛
G
⎟⎞
n1
rn
(4)
dr ⎝ 2k ⎠
对上式积分得：
u
=
n
n +1
⎜⎛ ⎝
G 2k
⎟⎞ ⎠
1 n
n+1
多普勒在超声波流量测量中的应用*
刘成安
（西南科技大学 网络信息中心）
摘要：超声波流量计是流量测量中最有发展前途的三种途径之一，但目前国内外管道用多普
勒超声波流量计的性能普遍不高。为了满足智能化、无接触流量测量要求，本文给出其具体
实现方案，对该系统进行的实验，验证了本文提出的方法的正确性和有效性，并能够达到较
算出即时管内流体的速度，同样可以计算出在一段时间内的流量。 多普勒超声流量计的信号检测方式主要有混频方式和直接耦合方式，本文采用混频方
式。将振荡部分所产生的连续波在电信号发射部分进行放大，由发射换能器发射连续超声波 至流体；在接收换能器中收到的信号是多普勒频移的散射波和一部分直接收到的发射频率 波，将接收信号放大，再将它与从本振部分来的连续混频进行再次检波，最后用滤波器滤出 的低频分量就是多普勒的散射频移。但是这个多普勒频移的零交叉频率与照射域的平均流速 没有成正比，所以只有在照射区域有限小时才有测量意义。所以本设计通过式(10)只测量沿 中心轴线上的多普勒散射频率，最后通过式(6)进行修正得出即时流速。 3 实验测试
fr
=
f0
c + u cosα c − u cosα
=
f
0
×
⎜⎛1 ⎝
+
2u cosα c − u cosα
⎟⎞ ⎠
(7)
实际上超声波在液体中的速度远大于液体本身的流速，所以(7)式可以化简。最后得到
多普勒频移为：
fd
=
fr
−
f0
≈
f0
2u cosα c
(8)
通过上式可以判断流体的方向，当 fr < f0 时，证明流体流速顺着观察者，流速为负；
2005，4-1，202-203 作者简介：刘成安（1965-），男，汉族，西南科技大学网络信息中心副教授，主要从事仪表 自动化、人工智能与模式识别方面教学研究。
Author brief introduction：Liu Cheng-an，born in 1965，male，the Han nationality, associate professor of Network Information Center，Southwest University of Science and Technology. Focus on information detection.，Artificial Intelligence and Pattern Recognition 通讯地址：（621010 四川绵阳西南科技大学网络中心）刘成安
播时的多普勒效应，推导出流体在管道平均截面流速的估计，为最终多普勒超声波流量计的
设计等提供粘度定律的流体称之为牛顿流体，在标准条件下的空气和水是典型的
牛顿流体。但在自然界以及工业生产中，存在大量不服从牛顿常粘度定律的流体，称之为非
牛顿流体，例如化学工业中的各类泥浆、悬浮液、油漆、涂料、颜料、工业用油脂等均属于
非牛顿流体。
本文研究圆形管道内液体的流速，圆形管道中的流体可以分为入口区、测粘流区和出口
区，由于在出、入口区管道端部边界条件的急剧变化，引起出入口区液体的流动变得十分复
杂，而在管道中间的测粘流区，沿管道偏应力保持不变，同时轴向压力梯度也保持为常数或
者是周期变化。在柱坐标系中一维定常流体的剪引力方程为：
颗粒、气泡等物质而散射；散射的超声波送入接收探头。
图 3 多普勒效应示意图
当固体颗粒或者是气泡随流体以速度 u 运动时，已知静止时流体中的声速为 c ，发射探
头发射的超声波频率为 f0 ，由固体颗粒物或者气泡反射回的超声波频率为 fr ，超声波入射、 反射方向与流体运动方向夹角为α ，则根据多普勒效应得发射、回波频率有如下关系[4]：
平均频率值的计算速度，直接影响整个流量测量系统的响应时间以及精度。本课题采用 具有快速傅里叶变换(FFT)的 DSP 芯片 TMS320VC5416 为控制处理核心，实现超声多普勒 流量计测量中的数字信号处理，通过对采集到的信号进行 FFT 变换得到平均频率值。
对多普勒超声流量测量系统进行实验测试，流量计结构如图 3 所示，其中流量计的管道 选用不锈钢无缝钢管（内经 100mm，壁厚 10mm），长 80cm，超声波探头位于管道的中部， 两端接法兰与管道连接；试验用流体选用某化工厂的常三线出的重柴油（由于考虑到其较多 杂质，容易发生多普勒散射缘故），泵为离心式油泵（型号为 100YⅡ-60A），通过泵的出口 阀和副线阀共同调节管道流体的流速，标准表采用椭圆齿轮流量计（容积式）进行对管道流 体的精确测量，实验结果见表 1。
当 fr > f0 时，证明流体流速逆着观察者，流速为正。通过上式可得微粒所在位置流体的流
速为：
u
=
2
f0
c cosα
×
fd
(9)
但在实际测量中，接收探头接收的是取样域内微粒产生的散射波的合成，如果取样域内
微粒分布均匀且沿着轴向运动，假设 N 为区域中的颗粒总和， fdi 是第 i 颗粒的多普勒频移，
an
⎜⎜⎜⎝⎛1 −
⎜⎛ ⎝
r a
( n +1)
⎟⎞ n ⎠
⎟⎞ ⎟⎟⎠
(5)
由上式可知，管道中幂律型流体的流速分布规律，并且可知在最大流速在 r = 0 处。则
管道截面上的平均流速为[5]：
∫ _
um =
r0 0
u
x
2πrdr
πr02
=
n ⎜⎛ G 3n +1⎝ 2k
1
⎟⎞
n n+1
an
⎠
(6)
2 多普勒超声管道流量测量方法
本文作者创新点：通过在线对流体的粘度进行分析，实现对超声多普勒流量计管道截面 平均流速函数的参数进行自修正，减小了系统的误差，达到智能化仪表测量的要求。 参考文献 [1] F. Hughes William and John A. Brighton, The Theory and Problems of Fluid Dynamics.
高的测量精度。
关键词：流量测量；超声多普勒；
中图分类号：TP216+.1
文献表示码：A
文章编号：
Application of Doppler to Ultrasonic Flow Measurement
Liu Cheng An
(Network Information Center，Southwest University of Science and Technology)
Schism’s Outline，1999 [2] 韩式方，非牛顿流体本构方程和计算解析理论[M].北京：科学出版社，2000 [3] 张淳民，物理学[M].北京：高等教育出版社，2003 [4] 冯若，超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999 [5] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002 [6] 罗守南，基于超声多普勒方法的管道流量测量研究[D].北京：清华大学，2004 [7] 张树春，刘成安.基于 USB 总线的 FPGA 与 PC 机接口通讯的实现[J].微计算机信息，