CN103353317B - 基于tdc-gp22的超大型管径超声波流量计及其信号增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计信号增强方法，属于仪器仪表领域。其特征是利用MOSFET将TDC-GP22的3.3V单端发送信号变换为峰峰值为30V的差动信号，直接施加于发送探头，将发送信号峰峰值提高近10倍，且在接收端通过差动放大电路将接收到的差动信号放大为单端信号，并附加偏置电压，以满足GP22对接收信号的要求，从而进行精确的时间测量。本发明的效果和益处是将发送信号峰峰值从3.3V提高到30V，保证在DN400～DN1200超大型管径应用时，接收端仍可接收到相对较为明显的信号，且利用放大电路对接收信号进行放大，充分保证了提供给GP22的接收信号的幅值，为声波传输时间的精确测量提供保证。

Description

基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计及其信号增强方法

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，特别涉及到水流量测量中用于DN400～DN1200超大型管径的超声波流量计发送和接收信号的增强方法。

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传输时间的检测，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，在接收端能够获得足够幅值的波形，而TDC-GP22仅支持3.3V供电，因此芯片管脚上发送信号的幅值最大为3.3V，且无论是上游发送信号，还是下游发送信号时，均在发送信号线上串联有100欧姆电阻，这限制了施加到发送探头上信号的幅值，而声波在水中传送时衰减较大，对于小型管径的管道，由于传输距离极短，因此衰减相对较小，接收探头还可以获得较为明显的接收信号，但对于DN400～DN1200的超大型管径的管道，声波传输距离较长，信号衰减非常大，几乎接近于0，这导致无法对声波在管道中传输的时间进行测量，更无法实现对上游传输到下游和下游传输到上游的时间差的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于TDC-GP22的DN400～DN1200超大型管径超声波流量计接收信号较弱、无法实现时间差精确测量的问题，其目的旨在有效增强基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计接收探头上获得的信号，为TDC-GP22对声波传输时间的精确测量提供保证。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计信号增强方法，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于超大型管水流上游和下游的探头。所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自的信号转换电路施加到探头；所述信号转换电路，用于将单端3.3V脉冲发送信号变换成峰峰值为30V的差动信号施加到发送探头。所述TDC-GP22对应所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过衰减放大电路传送到所述TDC-GP22各自的接收端；其中，所述衰减放大电路，用于对接收信号进行差动衰减，首先衰减倍数为6，而后将差动输入信号放大30倍并变换为TDC-GP22识别的单端信号。工作时，所述上游探头和下游探头处于发送端状态或接收端状态，且为相反状态，此时通过两个所述信号转换电路的使能端控制，使得发送端对应的所述信号转换电路导通，接收端对应的所述信号转换电路无效，实现TDC-GP22对声波在管道中传输时间的测量。

优选方式下，为了实现简单控制，简化电路设置，设置一个通过SPI接口与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，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的设置、数据的读取。所述CPU的还分别向两个所述信号转换电路的使能端输出使能信号。

根据上述方法可知，本发明还提供了一种基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于超大型管水流上游和下游的探头。所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自的信号转换电路施加到探头；所述信号转换电路，用于将单端3.3V脉冲发送信号变换成峰峰值为30V的差动信号施加到发送探头。所述TDC-GP22对应所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过衰减放大电路传送到所述TDC-GP22各自的接收端；其中，所述衰减放大电路，用于对接收信号进行差动衰减，首先衰减倍数为6，而后将差动输入信号放大30倍并变换为TDC-GP22识别的单端信号。此外，设置一个通过SPI接口与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，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的设置、数据的读取；所述CPU的还分别向两个所述信号转换电路的使能端输出使能信号。

优选方式下，每一所述信号转换电路包括由所述TDC-GP22输出信号引脚连至所述上游探头或下游探头正端和负端的两个支路。其中，第一支路上依次设置第一与门、第一MOSFET驱动器，以及第一组两个反向并联的二极管。第二支路上依次设置高速反相器、第二与门、第二MOSFET驱动器，以及第二组两个反向并联的二极管。此外，所述第一与门和第二与门接收所述CPU的使能信号。

优选方式下，每一所述衰减放大电路包括两个30千欧电阻、四个1千欧电阻、两个为5.1千欧电阻及一个运算放大器。

本发明的技术方案是：利用MOSFET将TDC-GP22的3.3V单端发送信号变换为峰峰值为30V的差动信号，直接施加于发送探头，将发送信号峰峰值提高近10倍，且在接收端通过差动放大电路将接收到的差动信号放大为单端信号，并附加偏置电压，以满足GP22对接收信号的要求，从而进行精确的时间测量，具体设计如图2所示，在相同工况条件下，分别采用本发明设计与常规设计时，两者发送信号和接收信号的对比如图3所示。

本发明的效果和益处是：将发送信号峰峰值从3.3V提高到30V，保证在DN400～DN1200超大型管径应用时，接收端仍可接收到相对较为明显的信号，且利用放大电路对接收信号进行放大，充分保证了提供给GP22的接收信号的幅值，为声波传输时间的精确测量提供保证。

附图说明

图1是基于TDC-GP22的超声波流量计信号接口电路常规设计。

图2是本发明信号接口电路设计。

图3是常规设计应用于DN700管径时的发送和接收信号波形。

图4是本发明设计应用于DN700管径时发送和接收信号波形。

图中：F_UP为GP22上游发送引脚，STOP1为GP22上游接收引脚，F_DOWN为GP22下游发送引脚，STOP2为GP22下游接收引脚，T1～T4均为双高速功率MOSFET驱动器TC4427，D1～D8为二极管，IC1、IC2、IC5、IC6均为高速与门，IC4、IC8为高速运算放大器，R1、R10均为2千欧电阻，R2、R3、R11、R12均为30千欧电阻，R4、R5、R6、R7、R13、R14、R15、R16均为1千欧电阻，R8、R9、R17、R18均为5.1千欧电阻，v为水流速度。OE1为CPU输出的发送使能信号1，OE2为CPU输出的发送使能信号2，CS为CPU与GP22之间SPI接口的片选信号，CLK为CPU与GP22之间SPI接口的时钟信号，DI为CPU与GP22之间SPI接口的数字量输入信号，DO为CPU与GP22之间SPI接口的数字量输出信号。

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，信号接口电路采用GP22的常规设计，当上游探头发送信号、下游探头接收信号时，GP22的F_UP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，将发送信号施加到上游探头，此时上游接收引脚STOP1呈现为高阻输入，上游探头将电信号转换为超声波信号，在水中传输，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GP22的下游接收引脚STOP2，在此期间，下游发送引脚F_DOWN输出低电平；GP22自动记录F_UP发送信号和STOP2接收信号中对应波形之间的传输时间，实际运行时，GP22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；当下游发送信号、上游接收信号时，与此类似。由于上游F_UP发送信号经过100欧姆电阻R1后才施加到发送探头上，因此限制了施加到发送探头上的信号幅值和驱动能力，且对于接收信号而言，由于F_DOWN引脚处于低电平，因此等效于在接收探头两端并联了一个100欧姆电阻，导致充放电周期较短，限制了接收信号幅值的提高，对于DN50以下小管径进行测量时，接收信号还较为明显，可保证时间测量的准确性，但对于DN400～DN1200的超大型管径，由于接收信号幅值较小，甚至接近于0，则会严重影响时间测量的准确性。为此，一些改进设计将上游发送串联的100欧姆电阻R1减小，以增大发送信号的幅值和驱动能力，但由于上游发送和下游发送是交替进行的，当减小上游发送串联电阻R1时，则也必然需要减小下游发送串联电阻R2，这就造成一个新的问题，即R1、R2都减小，那么当上游发送时，下游接收探头等效并联的电阻也减小，充放电周期更短，会进一步减小接收信号幅值，因此尽管上游发送信号增强了，但下游接收信号却由于并联电阻的减小而变小了，仍然无法满足测量要求，为此，本发明提出了图2所示的信号增强方法。

在图2中，上游探头对应的与门IC1和IC2，其各自的第一个输入端均连接到CPU的OE1引脚，下游探头对应的与门IC5和IC6，其各自的第一个输入端均连接到CPU的OE2引脚；CPU通过SPI接口的CS、CLK、DI、DO四个信号与TDC-GP22进行通信，以控制GP22信号的发送、参数的设置、测量数据的读取。当CPU控制GP22上游发送信号、下游接收信号时，同时将OE1置为高电平、OE2置为低电平，且控制GP22的F_UP引脚输出20个周期的1MHz方波信号，该信号分为两路，一路连接到与门IC1的第二个输入端，另一路经反相器IC3反相后，连接到与门IC2的第二个输入端，由于OE1为高电平，因此与门IC1的输出与F_UP相同，而IC2的输出恰好与F_UP反相，IC1和IC2的输出分别控制功率MOSFET驱动器T1和T2，T1和T2的输出经D4、D6分别连接到上游探头的正端和负端，形成峰峰值为30V的差动信号，该信号直接施加到发送探头，本发明设计与常规设计相比，将发送信号提高了近10倍；当上游发送信号到达下游时，下游探头将把接收到的超声波信号转换为电信号，此时由于OE2为低电平，因此下游探头对应的与门IC5、IC6输出均为低电平，T3和T4输出则也均为低电平，而对于DN400～DN1200超大型管径，下游接收信号通常不超过700mV，此时二极管D7、D9将不导通，因此尽管T3、T4输出低电平，但对接收信号将不产生任何影响，因此接收探头两端等效的并联电阻完全取决于R15～R18，R15与R17串联，R16与R18串联，二者再并联，容易计算接收探头两端等效的并联电阻为3千欧，这足以保证接收探头的充放电时间，不会对接收信号的幅值造成衰减；R11～R18和运算放大器IC8一起构成了接收信号的衰减放大电路，R15～R18先对接收信号进行差动衰减，衰减倍数为6，然后R11～R14与IC8一起构成了差动放大电路，放大倍数为30倍，其中1.2V偏置电压通过R12输入；放大电路将差动输入信号放大并变换为GP22能够识别的单端信号，用作声波传输时间的精确测量；下游接收信号之所以采用先衰减再放大的原因为：当上游发送、下游接收后，将轮到下游发送、上游接收，而下游发送的峰峰值为30V频率为1MHz的电信号，不仅会施加到下游探头上，同时也会输入到相应差动放大电路，若不进行衰减，则将造成运算放大气因过压而损坏。当下游发送信号、上游接收信号时，处理类似，CPU控制OE1输出低电平，OE2输出高电平，且控制GP22通过F_DOWN引脚发送20个周期的1MHz方波信号，该信号将分为两路，一路连接到与门IC5的第二个输入端，另一路经反相器IC7后连接到与门IC6的第二个输入端，此时由于OE2为高电平，因此与门IC5输出将与F_DOWN信号相同，而与门IC6输出则与F_DOWN信号反相，IC5和IC6输出分别控制功率MOSFET驱动器T3和T4，T3和T4输出构成峰峰值为30V的差动交流信号，该信号经二极管D8、D10后，直接施加到下游探头。当上游探头接收到下游的发送信号后，将通过R2～R9及运放IC4组成的差动衰减放大电路，变换为单端接收信号，提供给GP22上游接收引脚STOP1，以便测量下游到上游的传输时间。采用本发明设计，可有效增强DN400～DN1200超大型管径超声波流量计的发送和接收信号，为GP22精确测量超声波在管道中的传输时间提供保证。

在图3中，所有波形为采用常规设计针对DN700管径进行应用时测得的波形，橙色代表的是发送信号波形，该信号是单端信号，用示波器的通道1捕捉，其幅值约为2.5V，绿色代表的是对应的接收信号波形，用示波器的通道2捕捉，峰峰值约为40mV，发送信号与接收信号之间的时间间隔约为650微妙，即超声波在DN700管段中的传输时间约为650微妙，可以看出，其接收信号非常弱。

在图4中，所有波形为采用本发明设计针对同一DN700管径进行应用时测得的波形，橙色代表的是发送信号波形，该信号是差动信号，用示波器的通道1捕捉，其幅值约为15V，由于是差动信号，因此示波器所捕捉的波形为实际发送信号峰峰值的一半，即实际发送信号的峰峰值约为30V，绿色代表的是对应的接收信号波形，用示波器的通道2捕捉，峰峰值约为450mV，完全满足TDC-GP22对接收信号的要求，发送信号与接收信号之间的时间间隔也约为650微妙，可以看出，与常规设计相比，本发明设计所获得的发送信号波形幅值从2.5V提高到了30V，而接收信号波形峰峰值从40mV提高到了450mV，具有明显的信号增强效果。

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 (5)

1.一种基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计信号增强方法，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于超大型管水流上游和下游的探头，其特征在于，

所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自的信号转换电路施加到探头；所述信号转换电路，用于将单端3.3V脉冲发送信号变换成峰峰值为30V的差动信号施加到发送探头；

所述TDC-GP22对应所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过衰减放大电路传送到所述TDC-GP22各自的接收端；其中，所述衰减放大电路，用于对接收信号进行差动衰减，首先衰减倍数为6，而后将差动输入信号放大30倍并变换为TDC-GP22识别的单端信号；

工作时，所述上游探头和下游探头处于发送端状态或接收端状态，且为相反状态，此时通过两个所述信号转换电路的使能端控制，使得发送端对应的所述信号转换电路导通，接收端对应的所述信号转换电路无效，实现TDC-GP22对声波在管道中传输时间的测量。

2.根据权利要求1所述基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计信号增强方法，其特征在于，设置一个通过SPI接口与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，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的设置、数据的读取；

此外，所述CPU的还分别向两个所述信号转换电路的使能端输出使能信号。

3.一种基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于超大型管水流上游和下游的探头，其特征在于，

所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自的信号转换电路施加到探头；所述信号转换电路，用于将单端3.3V脉冲发送信号变换成峰峰值为30V的差动信号施加到发送探头；

所述TDC-GP22对应所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过衰减放大电路传送到所述TDC-GP22各自的接收端；其中，所述衰减放大电路，用于对接收信号进行差动衰减，首先衰减倍数为6，而后将差动输入信号放大30倍并变换为TDC-GP22识别的单端信号；

此外，设置一个通过SPI接口与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，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的设置、数据的读取；所述CPU的还分别向两个所述信号转换电路的使能端输出使能信号。

4.根据权利要求3所述基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计，其特征在于，

每一所述信号转换电路包括由所述TDC-GP22输出信号引脚连至所述上游探头或下游探头正端和负端的两个支路；

第一支路上依次设置第一与门、第一MOSFET驱动器，以及第一组两个反向并联的二极管；

第二支路上依次设置高速反相器、第二与门、第二MOSFET驱动器，以及第二组两个反向并联的二极管；

此外，所述第一与门和第二与门接收所述CPU的使能信号。

5.根据权利要求4所述基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计，其特征在于，每一所述衰减放大电路包括两个30千欧电阻、四个1千欧电阻、两个为5.1千欧电阻及一个运算放大器。