CN102147275B - 低功耗高精度超声波流量测量方法及装置 - Google Patents

低功耗高精度超声波流量测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波流量测量方法及装置，传统的流速测量中需要对测量结果进行温度补偿。本发明方法是测量超声波在流体中的顺流传播时间t1、逆流传播时间t2和电子线路延时时间tr，就能计算出流量。本发明中的装置包括第一换能器、第二换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一信号调理电路、第二信号调理电路、超声波发送计时电路和单片机。本发明消除了流体温度对流量测量的影响，提高了流量测量的精度，节省了装置的成本。

Description

低功耗高精度超声波流量测量方法及装置
技术领域
本发明属于流体检测技术领域，涉及一种低功耗高精度超声波流量测量方法及装置。
背景技术
自从1928年德国人研制出了第一台超声波流量计以来，超声波流量计的研制技术得到了不断的改善。早期的超声波流量计有精度低、响应慢、稳定性和可靠性差等致命弱点。但近20年来，由于高速数字信号处理技术与微处理技术的飞速发展以及传感技术的进步，超声波流量计不仅克服了以往的不足，而且以其高精度、高抗干扰性、非接触测量不改变流体流场、易操作、低成本等优点，得到了越来越多的业内人士的青睐。超声波流量测量技术的发展前景不可限量。
根据工作原理的不同，超声波流量计可分为多普勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。由于多普勒式超声波流量计只能测量含有适量能够反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，其适用性受到了限制。目前应用最广泛的是时差式超声波流量计，其工作原理为：超声波在静止的流体中的流速为C，流体的流速为V0，那么超声波在流体中的顺流速度为V1=C+ V0 Cosθ，逆流速度为V2=C- V0 Cosθ，两个换能器间的距离为L，则顺流时间t1=L/ V1,逆流时间t2=L/ V2,又C>> V0,可得时差ΔT= t2 -t1=2LV0 Cosθ/ C2，所以通过测量时差ΔT就能通过上式得到流体的流速V0。
但是超声波声速在流体中受温度的影响很大，在流体的流速测量中需要对测量结果进行温度补偿，而传统的温度补偿方法误差较大和重复性低的缺点，而且采用较高电压驱动传感器，导致装置的功耗增大，很难满足现场的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗高精度超声波流量测量的方法及装置，以提高测量精度，降低装置的功耗。
本发明的流量测量方法具体是：测量超声波在流体中的顺流传播时间t1、逆流传播时间t2和电子线路延时时间tr，按式(1)计算出管道内流体的流量Q。
Figure 2011100654666100002DEST_PATH_IMAGE001
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Figure 385662DEST_PATH_IMAGE001
Figure 830736DEST_PATH_IMAGE001
  
Figure 185494DEST_PATH_IMAGE002
       （1）
式中D为管道的直径，θ为换能器之间的连线与管道中轴线所形成的锐角。
实现上述测量方法的装置包括第一换能器、第二换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一信号调理电路、第二信号调理电路、超声波发送计时电路和单片机。
第一换能器输入端分别与第一模拟开关的A端、第二模拟开关的A端连接；第二换能器输入端分别与第一模拟开关的B端、第三模拟开关的A端连接；
第二模拟开关的B端、第三模拟开关的B端、第一信号调理电路输入端和第二信号调理电路输入端均与超声波发送计时电路的脉冲发射脚连接；
第一信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时开始脚连接，第二信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时结束脚连接；
超声波发送计时电路的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机的I/O口连接；
所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端、第三模拟开关使能端分别与单片机的I/O口连接；
所述的模拟开关型号为74CBT1G125，所述的第一信号调理电路选用74HC14芯片，所述的超声波发送计时电路选用GP2芯片，所述的单片机型号为MSP420F437；
所述的第二信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、芯片TVL3501和芯片TVL2211；电容C1的一端作为第二信号调理电路输入端，电容C1的另一端接芯片TVL3501的3脚，第一电阻R1一端接3V电源，第二电阻R2一端接地；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接芯片TVL3501的1脚，芯片TVL3501的5脚接芯片TVL2211的1脚，芯片TVL2211的3脚接1V电源，芯片TVL2211的4脚作为第二信号调理电路输出端。
本发明的有益效果在于：本发明通过测量超声波在流体中的顺流传播时间、逆流传播时间和电子线路延时时间，计算出管道内流体的速度，消除了流体温度对流量测量的影响，提高了流量测量的精度，节省了装置的成本。在测量电路中，采用小信号激励换能器，通过微弱信号比较电路，准确地获得顺流传播时间、逆流传播时间和电子线路延时时间，减低了系统测量的电压与电流，从而减小了系统测量的功耗。
附图说明
图1是时差法超声波流量计测量原理简图；
图2是本发明中的装置结构示意图；
图3是本发明中的装置电路图；
图4是第二信号调理电路图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图2，该低功耗高精度超声波流量测量装置包括第一换能器、第二换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一信号调理电路、第二信号调理电路、超声波发送计时电路和单片机。
第一换能器输入端分别与第一模拟开关的A端、第二模拟开关的A端连接；第二换能器输入端分别与第一模拟开关的B端、第三模拟开关的A端连接；
第二模拟开关的B端、第三模拟开关的B端、第一信号调理电路输入端和第二信号调理电路输入端均与超声波发送计时电路的脉冲发射脚连接；
第一信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时开始脚连接，第二信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时结束脚连接；
超声波发送计时电路的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机的I/O口连接；
所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端、第三模拟开关使能端分别与单片机的I/O口连接；
所述的模拟开关型号为74CBT1G125，所述的第一信号调理电路选用74HC14芯片，所述的超声波发送计时电路选用GP2芯片，所述的单片机型号为MSP420F435；
所述的第二信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、芯片TVL3501和芯片TVL2211；电容C1的一端作为第二信号调理电路输入端，电容C1的另一端接芯片TVL3501的3脚，第一电阻R1一端接3V电源，第二电阻R2一端接地；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接芯片TVL3501的1脚，芯片TVL3501的5脚接芯片TVL2211的1脚，芯片TVL2211的3脚接1V电源，芯片TVL2211的4脚作为第二信号调理电路输出端。
参照图3，模拟开关型号为74CBT1G125，第一信号调理电路选用74HC14芯片，超声波发送计时电路选用GP2芯片，单片机型号为MSP420F435。
第一换能器的输入端分别与第一模拟开关的A端、第二模拟开关的A端连接，第二换能器输入端与分别与第一模拟开关的B端、第三模拟开关的A端连接；
第二模拟开关的B端、第三模拟开关的B端、芯片74HC14的1A脚和第二信号调理电路输入端均与芯片GP2的FIRE１脚连接；
芯片74HC14的1Y脚与芯片GP2的START脚连接，第二信号调理电路输出端与芯片GP2的STOP脚连接；
芯片GP２的SSN脚、SCK脚、SI脚、SO脚和CLK32IN脚分别与芯片MSP430F435的P1.6、P1.7、P2.0、P2.1和P1.5脚连接；
第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关的EN脚分别和芯片MSP430F435的P1.3、P1.1和P1.2脚连接；
参照图4，第二信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、芯片TVL3501和芯片TVL2211；电容C1的一端作为第二信号调理电路输入端，电容C1的另一端接芯片TVL3501的3脚，第一电阻R1一端接3V电源，第二电阻R2一端接地；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接芯片TVL3501的1脚，芯片TVL3501的5脚接芯片TVL2211的1脚，芯片TVL2211的3脚接1V电源，芯片TVL2211的4脚作为第二信号调理电路输出端。
如图1所示，将第一换能器和第二换能器水平对称安装于过管道轴线平面的两侧，第一换能器安装在管道的下游，第二换能器安装在管道的上游。首先单片机控制第二模拟开关闭合，单片机给芯片GP2一个信号，芯片GP2的脉冲发生器通过FIRE1脚发射脉冲信号，该脉冲信号驱动第一换能器，同时，该信号经过第一信号调理电路的整形后到达芯片GP2的START脚，芯片GP2开始计时，第一换能器受到驱动发射脉冲信号，经过在流体中传播，第二换能器接收到该脉冲信号，此时单片机控制第三模拟开关闭合，该脉冲信号到达第二信号调理电路的输入端，该信号经过滤波、整形到达芯片GP2的STOP脚，GP2停止计时，得到逆流时间ｔ２；
同理，首先单片机控制第三模拟开关闭合，单片机给芯片GP2一个信号，芯片GP2的脉冲发生器通过FIRE1脚发射脉冲信号，该脉冲信号驱动第二换能器，同时，该信号经过第一信号调理电路的整形到达芯片GP2的START脚，芯片GP2开始计时，第二换能器受到驱动发射脉冲信号，经过在流体中传播，第一换能器接收到该脉冲信号，此时单片机控制第二模拟开关闭合，该脉冲信号到达第二信号调理电路的输入端，该信号经过滤波、整形到达芯片GP2的STOP脚，芯片GP2停止计时，得到顺流时间t1；
单片机首先控制第一模拟开关和第二模拟开关闭合，单片机给芯片GP2一个信号，芯片GP2的脉冲发生器通过FIRE１脚发射脉冲信号，该脉冲信号到达第二模拟开关的B端，同时，该信号经过第一信号调理电路整形到达芯片GP２的START脚，芯片GP２开始计时，该脉冲信号通过第二模拟开关和第一模拟开关到达第三模拟开关的A端，此时单片机控制第三模拟开关闭合，该脉冲信号到达第二信号调理电路的输入端，脉冲信号经过滤波整形到达芯片GP2的STOP脚，芯片GP2停止计时，得到电子线路延时时间tr。通过式(2)计算出流体的流量Q，
Figure 606373DEST_PATH_IMAGE002
       (2)
其中D为管道直径，θ已知。

Claims (2)

1.低功耗高精度超声波流量测量方法，其特征在于：
测量超声波在流体中的顺流传播时间t1、逆流传播时间t2和电子线路延时时间tr，按下式计算出管道内流体的流量Q：
Figure 546276DEST_PATH_IMAGE001
Figure 300606DEST_PATH_IMAGE001
Figure 224568DEST_PATH_IMAGE001
Figure 685636DEST_PATH_IMAGE001
Figure 115481DEST_PATH_IMAGE001
  
Figure 91527DEST_PATH_IMAGE002
       
式中D为管道的直径，θ为换能器之间的连线与管道中轴线所形成的锐角；
所述的电子线路延时时间tr由以下过程得到：单片机首先控制第一模拟开关和第二模拟开关闭合，单片机给芯片GP2一个信号，芯片GP2的脉冲发生器通过FIRE１脚发射脉冲信号，该脉冲信号到达第二模拟开关的B端，同时，该信号经过第一信号调理电路整形到达芯片GP2的START脚，芯片GP2开始计时，该脉冲信号通过第二模拟开关和第一模拟开关到达第三模拟开关的A端，此时单片机控制第三模拟开关闭合，该脉冲信号到达第二信号调理电路的输入端，脉冲信号经过滤波整形到达芯片GP2的STOP脚，芯片GP2停止计时，得到电子线路延时时间tr。
2.实现权利要求1所述的流量测量方法的装置，包括第一换能器、第二换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一信号调理电路、第二信号调理电路、超声波发送计时电路和单片机，其特征在于： 
第一换能器输入端分别与第一模拟开关的A端、第二模拟开关的A端连接；第二换能器输入端分别与第一模拟开关的B端、第三模拟开关的A端连接；
第二模拟开关的B端、第三模拟开关的B端、第一信号调理电路输入端和第二信号调理电路输入端均与超声波发送计时电路的脉冲发射脚连接；
第一信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时开始脚连接，第二信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时结束脚连接；
超声波发送计时电路的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机的I/O口连接；
所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端、第三模拟开关使能端分别与单片机的I/O口连接；
所述的模拟开关型号为74CBT1G125，所述的第一信号调理电路选用74HC14芯片，所述的超声波发送计时电路选用GP2芯片，所述的单片机型号为MSP420F437；
所述的第二信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、芯片TVL3501和芯片TVL2211；电容C1的一端作为第二信号调理电路输入端，电容C1的另一端接芯片TVL3501的3脚，第一电阻R1一端接3V电源，第二电阻R2一端接地；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接芯片TVL3501的1脚，芯片TVL3501的5脚接芯片TVL2211的1脚，芯片TVL2211的3脚接1V电源，芯片TVL2211的4脚作为第二信号调理电路输出端。
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