TWI519790B - 流速計 - Google Patents

Description

流速計

本發明揭露一種流速計，尤指一種發射特定頻率的連續波，藉由輸出波頻率與反射波的頻率差值來偵測水流流速的流速計。

流速計係用來偵測待測水流的流速，譬如用來得知河川或溪流的水流流速，在得知流速之後，便可以判斷一定時間內的水量大小，進而評估下游是否會發生災害，或評估下游水庫是否需要洩洪。

在傳統的流速計中，除了機械渦流閥的測速裝置之外，較為人所知的是超音波都卜勒雷達(ADV：Acoustic Doppler velocimeter)。超音波都卜勒雷達利用三個陣列的傳感器(transducers)測量河水或流體在二維或三維一個單點的流速。在中間的傳感器沿該裝置的軸線發射一個大功率脈衝聲波，並由旁邊三個陣列的傳感器進行接收。

根據都卜勒原理，在河川或水庫對各方向射出的聲波，會被流體中的懸浮顆粒反射，藉由前述的傳感器接收後，都卜勒雷達便會依據音頻的改變情形判斷顆粒的運動方向，並利用都卜勒原理換算出該顆粒的速度，假設該顆粒隨水流運動，則該顆粒的流速流向可視為水流的流速流向。

然而，超音波都卜勒雷達需要精準的架設，才能解出不同維度的速度分量，且超音波都卜勒雷達對流體中任何存在的懸浮顆粒皆會反射，若是水中有大量雜質(如砂土、石塊等)，都會造成該系統的誤判，此外，超音波都卜勒雷達並不合適對遠距離的河川及水庫進行流速量測。

因此，微波都卜勒雷達遂應運而生，不同於前述超音波都卜勒雷達採脈衝波的測速方式，微波都卜勒雷達直接採用連續波(continuous wave)或調頻連續波(frequency modulated continuous wave)對流速進行長時 間的量測，以求取流速的平均值，因此，微波都卜勒雷達無須精準的架設與流速分析。一般微波都卜勒雷達的量測方程式如下：

其中v為雷達對水流的相對速度，θ為速度向量在水流方向與雷達中心點連線上的夾角，λ為輸出訊號(一般為射頻訊號)之中心頻率的波長。

然而，微波都卜勒雷達亦有其缺點：首先，根據上述方程式(1)，都卜勒頻移F_d直接與射頻訊號的中心頻率相關，但中心頻率容易受溫度變化與時間改變，造成射頻訊號的中心頻率漂移，進而造成都卜勒頻移的誤差。

再者，水流流速向量與微波都卜勒雷達中心點連線夾角會產生誤差，此誤差來自於微波都卜勒雷達的架設角度不準確所致，舉例來說，θ夾角設為90度時，天線場型與水面垂直，但由上列公式得知其速度分量為0，此外，若要得到最大速度分量時，則其θ夾角對應為0度，此時微波都卜勒雷達須架設在水面(流體表面)。

因此，業界須開發出一種新式流速計，以解決前述問題。

因此，本發明的目的是提供一種流速計，其能穩定提供具有一定中心頻率的輸出訊號，並且能根據其架設角度，進行自我校正，以解決前述的問題。

根據本發明之一實施例，本發明揭露一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組，一訊號接收模組，一水平儀裝置，以及一訊號處理模組。該訊號產生模組包含有：一鎖相迴路，用來產生具有一第一頻率的一連續波訊號；以及一升頻電路，電連接至該鎖相迴路，用來對該連續波訊號進行升頻，以產生具有一第二頻率的一輸出訊號，並將該輸出訊號輸出至該待測水流。該訊號接收模組係用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三 頻率。該水平儀裝置係用來偵測該流速計的一垂直俯角以及一水平角。該訊號處理模組係電連接至該訊號接收模組以及該水平儀裝置，用來根據該第三頻率與該第二頻率的差值、該垂直俯角以及該水平角，計算該待測水流的流速。

根據本發明之另一實施例，本發明揭露一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組，一訊號接收模組，一水平儀裝置，以及一訊號處理模組。該訊號產生模組包含有一鎖相迴路，用來將具有一第一頻率的一連續波訊號升頻以產生具有一第二頻率的一輸出訊號。該訊號接收模組係用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三頻率。該水平儀裝置係用來偵測該流速計的一垂直俯角以及一水平角。該訊號處理模組係電連接至該訊號接收模組以及該水平儀裝置，用來根據該第三頻率與該第二頻率的差值、該垂直俯角以及該水平角，計算該待測水流的流速。

根據本發明之又一實施例，本發明揭露一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組，一訊號接收模組，以及一訊號處理模組。該訊號產生模組包含有一鎖相迴路，用來產生具有一第一頻率的一連續波訊號；以及一升頻電路，電連接至該鎖相迴路，用來對該連續波訊號進行升頻，以產生具有一第二頻率的一輸出訊號，並將該輸出訊號輸出至該待測水流。該訊號接收模組係用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三頻率。該訊號處理模組係電連接至該訊號接收模組，用來根據該第三頻率與該第二頻率的差值，計算該待測水流的流速。

相較於習知技術，本發明之流速計能夠穩定輸出一具有特定中心頻率的輸出訊號，並且可根據其自身的架設角度進行自動校正，因此，本發明之流速計不會因為輸出訊號的中心頻率偏移以及其自身的架設角度，而造成都卜勒頻移的誤差，換言之，本發明之流速計在溫度以及時間的影響下，依然可以準確的測量待測水流的流速。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧流速計

130‧‧‧水平儀裝置

110‧‧‧訊號產生模組

140‧‧‧訊號處理模組

120‧‧‧訊號接收模組

111、200‧‧‧鎖相迴路

112‧‧‧升頻電路

113‧‧‧放大器

114‧‧‧循環器

115‧‧‧帶通濾波器

1111‧‧‧頻率合成器

1112、220‧‧‧迴路濾波器

1113、230‧‧‧壓控震盪器

1114、240、1116‧‧‧除頻器

121‧‧‧低雜訊放大器

122‧‧‧混頻器

123‧‧‧低通濾波器

1115、210‧‧‧相位檢測器

131‧‧‧介面

1117‧‧‧震盪器

第1圖為本發明流速計的功能方塊圖。

第2圖為一鎖相迴路的功能方塊圖。

第3圖為本發明之鎖相迴路詳細功能方塊圖。

第4圖為本發明流速計之垂直俯角與水流夾角誤差修正示意圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明流速計100的功能方塊圖。如第1圖所示，本發明流速計100包含有訊號產生模組110，訊號接收模組120，水平儀裝置130，以及訊號處理模組140。訊號產生模組110係用來產生特定頻率的連續波訊號，於本發明一較佳實施例中，該輸出訊號係為一射頻訊號。如第1圖所示，訊號產生模組110包含有一鎖相迴路111，一升頻電路112，一放大器113，一循環器(circulator)114以及一帶通濾波器115；而這些元件的電連接方式如第1圖所示，訊號處理模組140電連接至訊號產生模組110，訊號接收模組120，以及水平儀裝置130。

在此請注意，本發明於訊號產生模組110中，採用鎖相迴路111來產生具有一第一頻率的連續波訊號；由於鎖相迴路111本身具有回授系統，因此其產生出來的訊號相當穩定，不會因為時間或是溫度的影響而產生偏移。換言之，該連續波訊號的中心頻率會穩定維持在第一頻率，如此一來，訊號產生模組110所輸出的輸出訊號也會具有穩定的中心頻率，而不會導致之後都卜勒頻移的偏移。

在此請先參閱第2圖，第2圖為鎖相迴路200的功能方塊圖。第2圖繪示了鎖相迴路的基本架構，鎖相迴路200包含有相位檢測器(phase/frequency detector)210，迴路濾波器220，壓控震盪器230，以及除頻器240。而其基本運作原理如下：首先，相位檢測器210會比較參考信號f₁以及除頻器240輸出的除頻訊號f₂(此為壓控震盪器230的輸出訊號經過除頻後的結果)，並根據比較結果輸出相位差訊號。迴路濾波器220將該相位差訊號中的高頻信號及部分雜訊濾除，以輸出一控制電壓至壓控振盪器230；壓控震盪器230會根據直流電壓，產生一輸出訊號f_o。

如圖2可知，鎖相迴路200形成一個負回授機制，此機制會使參考訊號f₁與除頻訊號f₂相等。換言之，當參考訊號f₁與除頻訊號f₂的頻率及相位不相同時，前述的過程將持續被進行，直到參考訊號f₁與除頻訊號f₂的頻率及相位皆相同為止，此時，系統進入穩定狀態，壓控震盪器所輸出的輸出訊號f_o的頻率就會保持穩定(為參考訊號f₁的N倍)而不會再有頻率漂移現象。

如前所述，本發明便是利用鎖相迴路這樣的性質，來穩定輸出訊號的頻率。在此請繼續參閱第1圖，鎖相迴路111亦包含類似的元件。於本實施例中，鎖相迴路111包含頻率合成器1111，迴路濾波器1112，壓控震盪器1113。其中，頻率合成器1111包含有除頻器1114以及相位檢測器1115，相位檢測器1115的功能與前述的相位檢測器210類似，其用來比較參考信號f₁以及除頻器1114輸出的除頻訊號f₂(此為壓控震盪器1113的輸出訊號經過除頻後的結果)，並根據比較結果輸出相位差訊號。迴路濾波器1112則與前述的迴路濾波器220相同，用來將該相位差訊號中的高頻信號及部分雜訊濾除，以輸出控制電壓至壓控振盪器1113；壓控震盪器1113則與前述的壓控震盪器230相同，會根據直流電壓，產生一輸出訊號f_o。

如此一來，輸出訊號f_o的中心頻率便會穩定地保持在預設的第一頻率，不會因為溫度或時間而漂移。此外，在此請注意，頻率合成器1111係由訊號處理模組140控制，這代表輸出訊號f_o的中心頻率係由訊號處理模組控制之。

在此請參閱第3圖，第3圖為本發明之鎖相迴路111詳細功能方塊圖。於第3圖中，頻率合成器1111包含有相位檢測器1115，除頻器1114以及除頻器1116。於本實施例中，相位檢測器1115比較參考信號f₁(震盪器1117輸出訊號經過除頻器1116除頻後的結果)以及除頻器1114輸出的除頻訊號f₂(此為壓控震盪器1113的輸出訊號經過除頻後的結果)，並根據比較結果輸出相位差訊號。迴路濾波器1112將該相位差訊號中的高頻信號及部分雜訊濾除，以輸出控制電壓至壓控振盪器1113；壓控震盪器1113則會根據直流電壓，產生輸出訊號f_o。

其中，訊號處理模組140係用來控制除頻器1114的除頻率， 藉由這樣的控制，可使壓控震盪器1113的輸出訊號具有預設的第一頻率。

在此請注意，這樣的設計僅為本發明之一實施例，而非本發明的限制。舉例來說，訊號處理模組140可另用來控制除頻器1116，如此一來，輸入至相位檢測器1115的參考訊號便可以由訊號處理模組140控制之，進而控制壓控震盪器1113的輸出訊號。如此的相對應變化，亦屬本發明的範疇。

接著，壓控震盪器1113的輸出訊號會經過升頻電路112升頻，而成為具有第二頻率的高頻訊號(射頻訊號)，這第二頻率係為第一頻率的整數倍，譬如二倍或四倍。在此請注意，於本實施例中，訊號產生模組110與訊號接收模組120中，並不以載波的工作頻率作為內部每一個電路模組的設計頻率，因為頻率愈高其表面肌膚效應愈大，即是在同一介質厚度板材下之單位長度的微帶線(Microstrip Line)的功率耗損愈大。因此在本發明中，其壓控震盪器1113、所有的主被動元件與微帶線設計，均以1/2或1/4的射頻工作頻段進行設計開發，直至與天線模組的收發端，再將頻率提高至射頻工作頻段，如此可降低整體微帶線的訊號損耗，減少高頻元件的成本。

因此，於本實施例中，升頻電路112便是用來升頻，將原本由壓控震盪器1113輸出的輸出訊號，由原本的第一頻率，提升至第二頻率，最後經過循環器114以及帶通濾波器115的處理之後，便輸出至待測水流上。

而待測水流會反射該輸出訊號，以產生一反射訊號，由於都卜勒效應的影響，根據不同的流速，訊號接收模組120所接收到的反射訊號，會具有不同的頻率，在此將訊號接收模組120端所接收到的訊號頻率定為一第三頻率。藉由第三頻率以及第二頻率的差值(都卜勒頻移)，便可得知待測水流的流速為何。而於實際操作中，訊號接收模組120包含有低雜訊放大器121，混頻器122，以及低通濾波器123。低雜訊放大器121接收到反射訊號後，會將其進行放大處理，而隨後的混頻器122會將輸出訊號與反射訊號進行混波，以得到中頻訊號；而低通濾波器123會對該中頻訊號進行低通濾波，以得到差頻訊號。該差頻訊號會傳送至訊號處理模組 140，以進行運算，來計算出流速。

在此請注意，如前所述，由於流速計可能並非安裝在完全水平的狀態下，這樣會使流速計在計算都卜勒頻移時產生誤差，進而影響到流速計對於流速的計算結果。因此，本發明流速計100可以補償流速計的安裝角度誤差，於本實施例中，流速計100包含水平儀裝置130，水平儀裝置130係用來偵測流速計的垂直俯角α以及水平角θ。而水平儀裝置130藉由RS-232或SPI介面131電連接至訊號處理模組140，藉由該介面131，水平儀裝置130可將其偵測出來的垂直俯角α輸出至訊號處理模組140，使訊號處理模組140讀取該垂直俯角α，並根據水平角θ、垂直俯角α以及第二頻率與第三頻率的頻率差(都卜勒頻移)，計算出正確的流速。在此請參閱第4圖，第4圖為本發明流速計之垂直俯角α與水平角θ誤差修正示意圖。於第4圖中可知，流速計100可根據下列方程式(2)重新計算出正確的流速。

V．Cos(α)．cos(θ)=f_d．C/2．F (2)

其中，V代表流速，代表f_d都卜勒頻移，C為光速，f代表流速計所輸出的訊號之中心頻率(第二頻率)。請再次參閱第4圖，其中，水平角θ表示流速計100與水流方向的夾角，而垂直俯角α表示流速計100發射連續波訊號的直線方向與水面的夾角。流速計100可以預先根據不同水面高度和水流方向記錄各種不同的調整量。所以流速計100在使用時，由水平儀裝置130可以依據不同的水面高度和水流方向讀出資料，並傳送給訊號處理模組140，以供流速計算之用。如此一來，訊號處理模組140便可得知所有資訊，包括都卜勒頻移、輸出訊號的中心頻率、水平角θ以及垂直俯角α，利用這些資訊，以及上述的方程式(2)，訊號處理模組140便可計算出待測水流的流速。

在此請注意，於前述的實施例中，本發明包含有升頻電路以及水平儀裝置。然而，此僅為本發明之一較佳實施例，而非本發明的限制。舉例來說，本發明亦可不採用升頻電路，那麼便代表內部元件可使用相對應的高頻元件，於壓控震盪器便直接產生出符合載波頻率的輸出訊號。另一方面，若本發明亦可不採用水平儀裝置，那麼便代表訊號處理模組僅依照兩者的都卜勒頻移來計算出待測水流的流速，此計算方式應為業界所習 知，故不另贅述於此。換言之，在實際應用上，升頻電路與水平儀裝置僅為一選擇性(optional)的元件，電路設計者亦可選擇性地置入或移除這兩個元件，如此的相對應變化，亦屬本發明的範疇。

相較於習知技術，本發明流速計具有穩定的輸出訊號，其中心頻率不因時間或溫度有所變動；此外，本發明流速計具有升頻電路，可使大部份元件皆操作在較低頻的環境之中，如此便節省了成本，降低整體微帶線的損耗；再者，本發明流速計具有水平儀裝置，可偵測流速計的垂直俯角，進而達到自動補償夾角所導致之誤差的效果。綜上所述，本發明之流速計具有較高的效能，不因環境或人為操作而受到影響，可準確地計算出待測水流的流速。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧流速計

130‧‧‧水平儀裝置

110‧‧‧訊號產生模組

140‧‧‧訊號處理模組

120‧‧‧訊號接收模組

111‧‧‧鎖相迴路

112‧‧‧升頻電路

113‧‧‧放大器

114‧‧‧循環器

115‧‧‧帶通濾波器

1111‧‧‧頻率合成器

1112‧‧‧迴路濾波器

1113‧‧‧壓控震盪器

1114‧‧‧除頻器

1115‧‧‧相位檢測器

121‧‧‧低雜訊放大器

122‧‧‧混頻器

123‧‧‧低通濾波器

131‧‧‧介面

Claims (13)

1. 一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組，其包含有：一鎖相迴路，用來產生具有一第一頻率的一連續波訊號；以及一升頻電路，電連接至該鎖相迴路，用來對該連續波訊號進行升頻，以產生具有一第二頻率的一輸出訊號，並將該輸出訊號輸出至該待測水流；一訊號接收模組，用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三頻率；一水平儀裝置，用來偵測該流速計的一垂直俯角以及一水平角；以及一訊號處理模組，電連接至該訊號接收模組以及該水平儀裝置，用來根據該第三頻率與該第二頻率的差值、該垂直俯角以及該水平角，計算該待測水流的流速。
2. 如申請專利範圍第1項所述之流速計，其中該第二頻率為該第一頻率的整數倍。
3. 如申請專利範圍第1項所述之流速計，其中該第二頻率為該第一頻率的二倍。
4. 如申請專利範圍第1項所述之流速計，其中該鎖相迴路電連接至該訊號處理模組，該訊號處理模組產生一控制訊號，該鎖相迴路係接收該控制訊號，並根據該控制訊號產生該連續波訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之流速計，其中該鎖相迴路包含有：一壓控震盪器，用來根據一控制電壓，產生該連續波訊號； 一可控制式除頻器，電連接至該壓控震盪器以及該訊號處理模組，用來根據該控制訊號，對該連續波訊號進行除頻，以產生一除頻訊號；一相位檢測器，電連接至該可控制式除頻器，用來比較一參考訊號以及該除頻訊號的相位差，以產生一相位差訊號；以及一迴路濾波器，電連接至該相位檢測器以及該壓控震盪器，用來根據該相位差訊號，產生該控制電壓。
6. 一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組其包含有：一鎖相迴路，用來將具有一第一頻率的一連續波訊號升頻以產生具有一第二頻率的一輸出訊號；一訊號接收模組，用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三頻率；一水平儀裝置，用來偵測該流速計的一垂直俯角以及一水平角；以及一訊號處理模組，電連接至該訊號接收模組以及該水平儀裝置，用來根據該第二頻率與該第三頻率的差值、該垂直俯角以及該水平角，計算該待測水流的流速。
7. 如申請專利範圍第6項所述之流速計，其中該鎖相迴路電連接至該訊號處理模組，該訊號處理模組產生一控制訊號，該鎖相迴路係接收該控制訊號，並根據該控制訊號產生該連續波訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之流速計，其中該鎖相迴路包含有：一壓控震盪器，用來根據一控制電壓，產生該連續波訊號； 一可控制式除頻器，電連接至該壓控震盪器以及該訊號處理模組，用來根據該控制訊號，對該連續波訊號進行除頻，以產生一除頻訊號；一相位檢測器，電連接至該可控制式除頻器，用來比較一參考訊號以及該除頻訊號的相位差，以產生一相位差訊號；以及一迴路濾波器，電連接至該相位檢測器以及該壓控震盪器，用來根據該相位差訊號，產生該控制電壓。
9. 一種流速計，用來測量一待測水流的水流速度，該流速計包含有：一訊號產生模組，其包含有：一鎖相迴路，用來產生具有一第一頻率的一連續波訊號；以及一升頻電路，電連接至該鎖相迴路，用來對該連續波訊號進行升頻，以產生具有一第二頻率的一輸出訊號，並將該輸出訊號輸出至該待測水流；一訊號接收模組，用來接收自該待測水流反射的一反射訊號，其中該反射訊號具有一第三頻率；以及一訊號處理模組，電連接至該訊號接收模組，用來根據該第三頻率與該第二頻率的差值，計算該待測水流的流速。
10. 如申請專利範圍第9項所述之流速計，其中該第二頻率為該第一頻率的整數倍。
11. 如申請專利範圍第10項所述之流速計，其中該第二頻率為該第一頻率的二倍。
12. 如申請專利範圍第9項所述之流速計，其中該鎖相迴路電連接至該 訊號處理模組，該訊號處理模組產生一控制訊號，該鎖相迴路係接收該控制訊號，並根據該控制訊號產生該連續波訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之流速計，其中該鎖相迴路包含有：一壓控震盪器，用來根據一控制電壓，產生該連續波訊號；一可控制式除頻器，電連接至該壓控震盪器以及該訊號處理模組，用來根據該控制訊號，對該連續波訊號進行除頻，以產生一除頻訊號；一相位檢測器，電連接至該可控制式除頻器，用來比較一參考訊號以及該除頻訊號的相位差，以產生一相位差訊號；以及一迴路濾波器，電連接至該相位檢測器以及該壓控震盪器，用來根據該相位差訊號，產生該控制電壓。