CN103353316A - 用于超声波流量计的变频器干扰解决方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波流量计的变频器干扰解决方法及测量系统，属于仪器仪表领域，在被测管路中同一上下游状态设置两套超声波流量计；在工作状态下，一套超声波流量计依靠充电电池工作，另一套处于待机状态，且待机状态超声波流量计的充电电池处于充电状态；一定切换周期，切换两套超声波流量计的工作状态。本发明基于低功耗双声道超声波流量计技术，在外接电源供电时，对两个声道辅以电池供电，并在两个声道之间进行测量的循环切换，通过切换总是保证当前测量的声道是电池供电，从而避免由于变频器工作后从外接电源引入的干扰。两个声道均采用低功耗设计，采用可多次反复充电的充电电池，保证了流量计的长久运行。

Description

用于超声波流量计的变频器干扰解决方法及测量系统

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，涉及到水流量测量方法，特别涉及到超声波流量计中变频干扰的解决方法。

背景技术

超声波流量计具有测量精度高、使用方便的优点，目前在水流量测量方面已经得到广泛应用。其利用声波在顺流和逆流传播中的时间差，计算得到水的瞬时流速，再依据管道的截面积，获得水流动时的瞬时流量，再通过对时间的积分，得到水流动时累计流量。可以看出，超声波流量计工作时，需通过上游探头发送信号、下游探头接收信号，获得顺流传播时间，然后再通过下游探头发送信号、上游探头接收信号，获得逆流传播时间，不断循环往复。由于声波在水中传输速度极快，因此在管道中的传输时间很短，上游传输到下游和下游传输到上游的时间差通常在几十纳秒到几百纳秒之间，这要求对声波在管道中的传输时间进行非常精确的测量，目前德国ACAM公司推出的时间数字转换芯片TDC-GP22是专门用于超声波流量计中时间的检测，时间分辨率可达65皮秒，为保证时间差测量精度，本发明所设计的超声波流量计基于TDC-GP22芯片，其电源和信号接口电路常规设计如图1所示。但TDC-GP22对时间进行精确测量的前提是，在接收端获得的信号波形不失真。而超声波流量计在工作时，相应的水泵通常需要变频器进行驱动，这将在超声波流量计的电源输入上产生强烈的干扰，从而严重影响接收信号，造成流量计无法工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：变频器对超声波流量计的电源干扰问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于超声波流量计的变频器干扰解决方法，在被测管路中同一上下游状态设置两套超声波流量计。每一所述超声波流量计中时间数字转换芯片的供电电源为充电电池。在工作状态下，一套所述超声波流量计由所述充电电池提供电力实现工作；另一套所述超声波流量计处于待机状态，且所述待机状态超声波流量计的充电电池处于充电状态。一定切换周期或者充电状态的电池充满电后，切换两套超声波流量计的工作状态，从而实现两个声道测量的循环切换，并始终保证当前测量声道（当前测量超声波流量计）由所述充电电池供电。

优选方式下，所述超声波流量计选用TDC-GP22芯片；所述充电电池为3.6V电池；所述切换周期为24小时。而工作状态的控制由CPU实现。

根据上述方法，为了实现简单控制，简化电路设置，本发明还提供了一种基于超声波流量计变频器干扰解决方法的测量系统，在被测管路中同一上下游状态设置两套基于TDC-GP22芯片超声波流量计，每一套超声波流量计还包括与所述TDC-GP22芯片关联的上游探头、下游探头。其中，设置一个通过SPI接口经各自的光电隔离芯片与每一TDC-GP22进行通信实现时钟信号、片选信号、数字量输入信号、数字量输出信号传输的CPU，用于控制每一所述TDC-GP22信号的发送、数据的读取、参数的读取和设置。为每一所述TDC-GP22设置一个3.6V充电电池，作为工作电源。此外，系统的电源由外接220V AC或24V DC供电，外接电源经转换后持续为所述CPU供电；同时转换后的电源还经继电器切换为导通与截止状态交互的两个支路，每一所述支路再经电源转换后利用充电回路为一个所述超声波流量计的充电电池充电；其中，所述继电器的导通与截止用于两套所述超声波流量计工作与待机状态的交互切换；所述继电器的控制端连接所述CPU的控制引脚。

上述测量系统实现上述测量方法，主要依靠CPU控制实现。

本发明的技术方案是：以低功耗双声道超声波流量计技术为基础，在外接220V AC或24V DC供电时，对两个声道辅以电池供电，并在两个声道之间进行测量的循环切换，切换周期以24小时为单位，将两个声道分别命名为A声道和B声道，通过切换总是保证当前测量的声道是电池供电。例：若A声道工作，则将A声道的外接电源切除，使该声道的测量完全由电池供电，从而避免由于变频器工作后从外接电源引入的干扰，同时B声道处于待机状态，此时将B声道的外接电源接通，并利用外接电源对B声道的电池进行充电，当充电结束时，切除B声道的充电回路，但B声道仍然由外接电源供电；当B声道工作、A声道处于待机状态时，处理与之类似，此时将切除B声道的外接电源，使之完全由电池供电进行工作，而A声道的外接电源则接通，并利用外接电源对A声道的电池进行充电，充电结束后，切除充电回路。由于两个声道均采用低功耗设计，因此即使采用电池供电，其持续工作时间也将远大于24小时，本发明设计将切换周期单位定为24小时，并采用可多次反复充电的充电电池，保证了流量计的长久运行，具体设计如图1所示。

本发明的效果和益处是：采用低功耗双声道超声波流量计技术，在外接电源的基础上，辅以电池供电，通过对两个声道测量的循环切换，并始终保证当前测量声道由电池供电，而待机声道的电池由外接电源充电，从根本上避免了由于变频器运行对超声波流量计外接电源的干扰导致的流量测量影响。此外，本发明提供的测量系统还具有电路原理简单实用、成本低的特点，适合实际实用。

附图说明

附图1是本发明设计原理框图。

图中：IC1为AC-DC芯片，将外部输入220V AC隔离转换为5V DC，IC2为DC-DC芯片，将外部输入24V DC隔离转换为5V DC，IC3为三端线性稳压器，为CPU供电，IC4为CPU，IC3的输出正端和负端分别连接到CPU的VCC引脚和GND引脚，S1为双刀双掷继电器，IC11为同相驱动器，5V供电，可接收3.3V输入，输出用于控制继电器S1的导通和截止，IC5和IC8均为DC-DC芯片，用于将5V隔离转换为3.6V，+5V_1为IC5输入正端，GND_1为IC5输入负端，+5V_2为IC8输入正端，GND_2为IC8输入负端，+3.6V_A和GNDA分别为IC5的输出正端和负端，用于A声道的供电，+3.6V_B和GNDB分别为IC8的输出正端和负端，用于B声道的供电，IC6和IC9均为4通道光电隔离芯片，IC7和IC10分别为A声道和B声道采用的时间数字转换芯片TDC-GP22，B1和B2分别为A、B声道的供电电池，R1^-R4均100欧姆电阻，C1^-C4均为0.01微法电容，D1^-D6均为二极管，v为水流速度，管道上安装有4个探头，分别为A声道上游探头、A声道下游探头、B声道上游探头、B声道下游探头，CON为CPU输出引脚，用于控制继电器S1的导通和截止，CS、CLK、DI、DO分别为CPU的SPI接口对应的片选信号、时钟信号、数字输入信号和数字输出信号，CS_A、CLK_A、DI_A、DO_A分别为A声道GP22的SPI接口对应的片选信号、时钟信号、数字输入信号和数字输出信号，CS_B、CLK_B、DI_B、DO_B分别为B声道GP22的SPI接口对应的片选信号、时钟信号、数字输入信号和数字输出信号，F_UP_A和F_DOWN_A分别为A声道GP22的上游和下游信号发送引脚，STOP1_A、STOP2_A分别为B声道GP22的上游和下游信号接收引脚，F_UP_B和F_DOWN_B分别为B声道GP22的上游和下游信号发送引脚，STOP1_B、STOP2_B分别为B声道GP22的上游和下游信号接收引脚。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

在图1中，外部电源输入可选择220V AC输入或24V DC输入，二者分别通过IC1和IC2转换，得到5V电源，经IC3转换得到3.3V为IC4供电，5V电源经继电器S1切换后分为两路，一路为+5V_1和GND_1，用于A声道DC-DC电源输入，经IC5转换后，得到+3.6V_A和GNDA，用于A声道测量电路的供电，另一路为+5V_2和GND_2，用于B声道DC-DC电源输入，经IC8转换后，得到+3.6V_B和GNDB，用于B声道测量电路的供电；继电器S1的导通和截止由CPU的CON引脚控制，S1的两路常闭点连接到IC8的输入正端和负端，S1的两路常开点连接到IC5的输入正端和负端；当S1接通时，IC5输入得电，IC8失电，此时A声道处于待机状态，而B声道处于工作状态，IC5输出3.6V，经充电回路给电池B1充电，充电结束后，充电回路自动断开，而B声道由于IC8失电，因此整个B声道测量电路由电池B2供电，在电源系统上与外部电源输入没有任何连接，有效避免了变频器工作带来的电源干扰对测量的影响；当S1断开时，IC5输入失电，IC8得电，此时B声道处于待机状态，而A声道处于工作状态，IC8输出3.6V，经充电回路给电池B2充电，充电结束后，充电回路自动断开，而A声道由于IC5失电，因此整个A声道测量电路均由电池B1供电，在电源系统上与外部电源输入没有任何连接，从而也有效避免了变频器工作带来的电源干扰对测量的影响。当A声道工作时，CPU的SPI接口对应CS、CLK、DI、DO信号经IC6光电隔离后与A声道的GP22的SPI接口对应信号连接，用于控制A声道GP22信号的发送、数据的读取、参数的读取和设置，当CPU控制A声道上游探头发送信号、下游探头接收信号时，将在F_UP_A引脚连续输出20个周期的1MHz方波信号，经过100欧姆电阻R1后，将发送信号施加到A声道上游探头，此时IC7上游接收引脚STOP1_A呈现为高阻输入，A声道上游探头将电信号转换为超声波信号，在水中传输，A声道下游探头将接收到的超声波信号转换为电信号，经0.01微法电容C2后，传送到IC7的下游接收引脚STOP2_A，在此期间，IC7的下游发送引脚F_DOWN_A输出低电平；IC7自动记录F_UP_A发送信号和STOP2_A接收信号中对应波形之间的传输时间，实际运行时，IC7根据用户在20个周期内所选择的三个周期记录点，统计出上游发送到下游的传输时间；当A声道下游发送信号、上游接收信号时，STOP2_A呈现输入高阻状态，F_DOWN_A则输出20个周期的1MHz方波，经R2后施加到A声道下游探头，当A声道上游探头接收到下游发送的超声波信号后，将其转换为电信号，经电容C1连接到IC7的STOP1_A引脚，由IC7完成下游到上游传输时间的测量。当B声道工作时，其测量方法与之前描述的A声道的测量方法类似，CPU的SPI接口信号，经IC9光电隔离后，与B声道的TDC-GP22通信，完成对B声道测量数据的读取。

综上，本发明新的用于超声波流量计的变频器干扰解决方法，以低功耗双声道超声波流量计技术为基础，在外接220V AC或24V DC供电时，对两个声道辅以电池供电，并在两个声道之间进行测量的循环切换，切换周期以24小时为单位，将两个声道分别命名为A声道和B声道，通过切换总是保证当前测量的声道是电池供电。若A声道工作、B声道待机，则将A声道的外接电源切除，使该声道的测量电路完全由电池供电，从而避免由于变频器工作后从外接电源引入的干扰，此时将B声道的外接电源接通，并利用外接电源对B声道的电池进行充电，当充电结束时，切除B声道的充电回路；当B声道工作、A声道处于待机状态时，处理与之类似，此时将切除B声道的外接电源，使之完全由电池供电进行工作，而A声道的外接电源则接通，并利用外接电源对A声道的电池进行充电，充电结束后，切除充电回路。由于两个声道均采用低功耗设计，因此即使采用电池供电，其持续工作时间也将远大于24小时，切换周期单位为24小时，设计中采用可多次反复充电的充电电池，保证了流量计的长久运行，本发明设计在外接电源的基础上，辅以电池供电，通过对两个声道测量的循环切换，并始终保证当前测量声道由电池供电，而待机声道的电池由外接电源充电，从根本上避免了由于变频器运行引入的电源干扰对超声波流量计工作的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于超声波流量计的变频器干扰解决方法，其特征在于，在被测管路中同一上下游状态设置两套超声波流量计；

每一所述超声波流量计中时间数字转换芯片的供电电源为充电电池；

在工作状态下，一套所述超声波流量计由所述充电电池提供电力实现工作；另一套所述超声波流量计处于待机状态，且所述待机状态超声波流量计的充电电池处于充电状态；

一定切换周期或充电状态的电池充满电后，切换两套超声波流量计的工作状态，从而实现两个声道测量的循环切换，并始终保证当前测量声道由所述充电电池供电。

2.根据权利要求1所述用于超声波流量计的变频器干扰解决方法，其特征在于，所述超声波流量计选用TDC-GP22芯片；所述充电电池为3.6V电池；所述切换周期为24小时。

3.一种基于超声波流量计变频器干扰解决方法的测量系统，其特征在于，在被测管路中同一上下游状态设置两套基于TDC-GP22芯片超声波流量计，每一套超声波流量计还包括与所述TDC-GP22芯片关联的上游探头、下游探头；

其中，设置一个通过SPI接口经各自的光电隔离芯片与每一TDC-GP22进行通信实现时钟信号、片选信号、数字量输入信号、数字量输出信号传输的CPU，用于控制每一所述TDC-GP22信号的发送、数据的读取、参数的读取和设置；

为每一所述TDC-GP22设置一个3.6V充电电池，作为工作电源；

此外，系统的电源由外接220V AC或24V DC供电，外接电源经转换后持续为所述CPU供电；同时转换后的电源还经继电器(S1)切换为导通与截止状态交互的两个支路，每一所述支路再经电源转换后利用充电回路为一个所述超声波流量计的充电电池充电；

其中，所述继电器(S1)的导通与截止用于两套所述超声波流量计工作与待机状态的交互切换；所述继电器(S1)的控制端连接所述CPU的控制引脚。

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