CN103471666A

CN103471666A - 基于tdc-gp22的中型管径超声波流量计及其信号增强方法

Info

Publication number: CN103471666A
Application number: CN2013102376236A
Authority: CN
Inventors: 李卓函; 王超; 段同磊; 孟祥阳
Original assignee: DALIAN ECONOMIC AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT ZONE SHANHAI ELECTRONICS Co Ltd; Dalian University of Technology
Current assignee: DALIAN ECONOMIC AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT ZONE SHANHAI ELECTRONICS Co Ltd; Dalian University of Technology
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-12-25

Abstract

一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计信号增强方法，属于仪器仪表领域。其特征是采用三态门替代传统设计的串连电阻，当上游发送、下游接收时，发送端对应的三态门导通，接收端对应的三态门截止，使得发送信号可以无衰减地直接施加到发送探头上，增强了发送信号的幅值和驱动能力，而接收端则由于相应三态门截止，输出呈现高阻，使得接收探头两端等效的并联电阻在1兆欧以上，有效提高了接收信号幅值。本发明的效果和益处是可有效增强基于TDC-GP22的DN80～DN200中型管径超声波流量计接收探头上获得的信号，为GP22精确测量声波传输时间提供保证。

Description

基于TDC-GP22的中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DN80～DN200中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测量，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。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和驱动能力，而声波在水中传播时衰减较大，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，接收探头可以获得较为明显的接收信号，但对于DN80～DN200中型管径的管道，声波传输距离相对较长，信号衰减也相对较大，若考虑流量计长期运行，在探头上积淀的水垢的影响，那么信号衰减将更大，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：现有技术基于TDC-GP22的DN80～DN200中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的中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的中型管径超声波流量计的信号增强方法，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端。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发送端的三态门直接施加到探头。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，此时通过两个所述三态门的使能端控制，使得发送端对应的三态门导通，接收端对应的三态门截止，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、参数的数据、数据的读取。所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号，从而达到上述控制目的。

根据上述方法可知，本发明还提供了一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端。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发送端的三态门直接施加到探头。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、参数的数据、数据的读取；所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号。

本发明的技术方案是：将TDC-GP22输出的发送信号通过发送端的三态门直接施加到发送探头，不仅提高了发送信号的驱动能力，而且提高了施加到发送探头上的信号幅值，在接收端通过控制相应三态门截止，输出呈现高阻，使得在接收探头两端等效的并联电阻超过1兆欧，以提高接收探头输出的信号幅值，且充分利用TDC-GP22具有高时间分辨率的优势，实现对声波从上游传输到下游和下游游传输到上游的时间差的精确测量，以完成对水流量的精确测量，具体设计如图2所示。在相同工况条件下，采用本发明设计与常规设计时发送和接收信号的对比如图3和图4所示。

本发明的效果和益处是：可有效增强基于TDC-GP22的中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。本发明尤其适用于DN80～DN200中型管径的超声波流量计。

附图说明

图1是现有技术基于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是现有技术常规设计应用于DN100管径时的发送和接收信号波形。

图4是本发明设计应用于DN100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，R1为上游发送串联电阻，C1为上游接收串联电容，R2为下游发送串联电阻，C2为下游接收串联电容，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。IC1为上游发送用三态缓冲器（或称三态门），IC2为下游发送用三态缓冲器（或称三态门）。

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，对发送信号无任何影响，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总是输出低电平；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，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以下的小管径测量时，接收信号还较为明显，可保证时间测量的准确性，但对于DN80～DN200的中型管径，由于接收信号幅值较小，则会严重影响时间测量的准确性。为次，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，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的幅值，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。理想情况是：上游发送信号时，发送串联电阻尽量小，以增强发送信号幅值和驱动能力，而此时下游等效的并联电阻应尽量大，以减小并联电阻对接收信号幅值的影响；反之，当下游发送信号时，下游发送串联电阻应尽量小，而上游接收的等效并联电阻应尽量大；为此，本发明提出了图2所示的信号增强方法。

在图2中，采用三态门IC1替代常规设计的R1，采用三态门IC2替代常规设计的R2，IC1和IC2的门控端分别由CPU的OE1和OE2控制。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、参数的数据、数据的读取等。当CPU控制GP22上游发送信号、下游接收信号时，同时将OE1置为低电平、OE2置为高电平，即三态门IC2截止，输出呈现高阻状态，而三态门IC1导通，此时GP22的F_UP引脚输出20个周期的1MHz方波信号，经三态门IC1后，直接施加到上游探头，由于三态门输出具有较强的驱动能力，且IC1输出直接与上游探头连接，信号衰减接近于0，因此有效提高了发送信号的幅值和驱动能力；当下游探头将接收到的超声波信号转换为电信号后，经C2传送到GP22下游接收引脚STOP2，由于三态门IC2输出此时处于高阻状态，等效于在下游探头两端并联了一个非常大的电阻，因此充分提高了接收信号的幅值，保证了GP22时间测量的精确性。当下游发送信号、上游接收信号时，CPU控制GP22从F_DOWN发送20个周期的1MHz方波信号，且分别置OE1为高电平、OE2为低电平，使得三态门IC1截止，输出呈现高阻，三态门IC2导通，此时F_DOWN输出的信号经IC2直接施加到下游探头，提高了发送信号幅值和驱动能力，当上游探头接收到信号后，由于三态门IC1输出呈现高阻，等效为在上游探头两端并联了一个非常大的电阻，于是也提高了接收信号的幅值。CPU控制上游和下游交替发送，且通过控制IC1和IC2的交替导通，总是保证发送信号直接施加到发送探头，接收探头两端总是等效并联一个非常大的电阻，有效增强了发送和接收信号。此外，由于三态门本身具有延迟，这对时间精确测量不利，因此本发明设计时均采用响应速度在1GHz以上的三态门，以充分减小三态门传输的时延，使之在1纳秒以下，且由于超声波流量计测量时所需要获得的是上游传输到下游和下游传输到上游的时间差，因此对于本身传输时延才1ns的三态门而言，两个三态门之间传输时延的差异将更小，通常在皮秒量级，这对于超声波流量计测量的影响，可以忽略。采用本发明设计，可有效增强DN80～DN200中型管径超声波流量计的发送和接收信号，为GP22精确测量声波传输时间提供了保证。

在图3中，所有波形为采用常规设计针对DN100管径进行应用时测得的波形，左侧波形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2.2V，右侧波形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380mV，发送信号与接收信号之间的时间间隔约为90微妙，即超声波在DN100管段中的传输时间约为90微妙，可以看出，接收信号相对较弱。

在图4中，所有波形为采用本发明设计针对同一DN100管径进行应用时测得的波形，左侧波形代表的是发送信号波形，该信号也是单端信号，用示波器的通道1捕捉，其幅值约为3.3V，右侧波形代表的是对应的接收信号波形，用示波器的通道2捕捉，峰峰值超过1000mV以上，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90微妙，可以看出，与常规设计相比，本发明设计所获得的发送波形幅值从2.2V提高到了3.3V，而接收波形峰峰值从380mV提高到1000mV以上，具有明显的信号增强效果。

综上，本发明一种基于TDC-GP22的DN80～DN200中型管径超声波流量计信号增强方法，其特征是采用三态门替代传统设计的串连电阻，当上游发送、下游接收时，发送端对应的三态门导通，接收端对应的三态门截止，使得TDC-GP22输出的发送信号经三态门后可以无衰减地直接施加到发送探头上，增强了发送信号的幅值和驱动能力，而接收端则由于相应三态门截止，输出呈现高阻，使得接收探头两端等效的并联电阻在1兆欧以上，有效提高了接收信号幅值，接收信号经电容传送到GP22的接收端，用于GP22对声波在管道中传输时间的测量。

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

1.一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计信号增强方法，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端，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发送端的三态门直接施加到探头；

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，此时通过两个所述三态门的使能端控制，使得发送端对应的三态门导通，接收端对应的三态门截止，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的中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、参数的数据、数据的读取；

此外，所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号。

3.一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端，其特征在于，

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、参数的数据、数据的读取；所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号。