CN104897219A - 高精度低功耗超声流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度低功耗超声流量计，其特征是：单片机SPI接口及中断输入端与时间测量芯片SPI接口及中断输出端相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入端相连；双驱动电路输出端与上下游发射电路输入端相连；上下游发射电路输出端分别与上下游超声探头及上下游接收电路输入端相连；上下游接收电路输出端与信号调理电路相应输入端相连；信号调理电路增益受控端与单片机D/A相连；信号调理电路回波输出端与时间测量芯片相应输入端相连；信号调理电路峰值检波器输出端与单片机A/D相连；信号调理电路相应受控端与单片机相应I/O端口相连。本发明的特点是上下游超声回波峰值相同，时间测量采样基准点相同，提高了测量精度。

Description

高精度低功耗超声流量计

技术领域

本发明涉及一种高精度低功耗超声流量计，适用于要求精确监测管道液体流量的场合。

背景技术

采用时差法的超声流量计，其基本原理是：2个超声波探头安装在管道轴线两侧的外管壁上，并相隔一定的距离。首先上游探头发射超声波，下游探头接收超声波，并记录超声波从上游传播到下游的时间t1；然后下游探头发射超声波，上游探头接收超声波，并再次记录超声波从下游传播到上游的时间t2。因为上游发射的超声波是顺流传播，而下游发射的超声波是逆流传播，所以t2＞t1,存在时差t=t2-t1。时差t的大小与管道中液体的流速成正比，在管径一定的情况下，测出时差t就可以计算出管道中的液体流速和流量。

时差法超声流量计的精度主要取决于超声波传播时间的测量精度。由于超声波在水中的传播速度约为1500米左右，而管道中液体的最大流速一般在10米左右，所以时差t非常小，管道越细，液体流速越慢，时差越小。例如：设声速为1500m/s,超声探头为45°角，当管径为300mm,管中液体流速为10米时，根据公知公式可计算出时差t约为1.931微妙；在其它条件不变的情况下，当管中液体流速为0.01米时，可计算出时差约为18.856纳秒，当管径为100mm时，可计算出时差约为6.285纳秒。如此小的时间差，对于目前普遍采用计数器或单片机计时的测量方法，工作频率要达到1GHz以上，不仅成本高，而且在工程应用中很难做到，所以目前的超声流量计的测量精度很难提高。

发明内容

为了克服现有时差法超声波管道流量计时间测量精度不高的问题，本发明采用高分辨率时间测量芯片，再配以特别设计的控制电路，确保每次测量上下游的回波信号幅度保持一致，使得测量精度大为提高，功耗大为减小。本发明在设计中还采用了低功耗的单片机，使得整机功耗小于1瓦，特别适合于使用电池的场合。

本发明所采用的技术方案是：高精度低功耗超声流量计，主要由单片机、时间测量芯片、双驱动电路、上游发射电路、下游发射电路、上游超声探头、下游超声探头、上游接收电路、下游接收电路、信号调理电路、时钟芯片、键盘、液晶屏、RS485通信模块组成。单片机内部至少含有1个12位A/D转换器、1个12位D/A转换器、1个SPI串行口、1个I2C串行口和1个UART串行口。单片机I2C接口与时钟芯片相应接口相连；单片机相应接口与键盘相连；单片机相应接口与液晶屏相应接口相连；单片机UART接口与RS485通信模块相应接口相连；单片机SPI接口及中断输入端与时间测量芯片SPI接口及中断输出端相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入端相连；双驱动电路输出端与上游和下游发射电路输入端相连；上游发射电路输出端与上游超声探头及上游接收电路输入端相连；下游发射电路输出端与下游超声探头及下游接收电路输入端相连；上游和下游接收电路输出端与信号调理电路的模拟开关相应输入端相连；模拟开关受控端与单片机相应I/O端口相连；模拟开关相应输出端与信号调理电路的放大滤波1的差动输入端及时间测量芯片相应输入端相连；信号调理电路峰值检波器输出端与单片机A/D输入端相连。信号调理电路压控放大器受控端与单片机的D/A输出端相连。模拟开关相应输出端分别与时间测量芯片的上游和下游超声回波接收器输入端相连。

本发明由于采用了专门的高精度时间测量芯片，测量分辨率可达22帕秒，解决了时间测量的分辨率问题。为了确保上下游时间测量的一致性，需要保证上下游回波信号幅度一致，使得时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同。为此，在电路设计上采用了以下方法：

1、上下游传感器共用一个信号调理电路，通过模拟开关进行切换；

2、采用可编程放大器，使回波信号幅值在较大范围内可调，保证回波峰值始终相同；

3、为了进一步保证时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同，在信号调理电路中加入了峰值检波器，将每次回波信号进行峰值检波，并输入单片机A/D接口，单片机根据每次采样值通过D/A不断调整程控放大器的增益，确保上下游测量回波峰值始终相同。

4、峰值检波器是通过保持电容来保持回波峰值，以便单片机的A/D进行采样，当每次采样结束后，为了不影响下一次测量，单片机通过控制一个电子开关对保持电容进行放电。

5、时间测量芯片的功耗非常低，最低可达平均2.2微安，再加上采用低功耗的单片机和放大器，保证了测量仪器功耗非常低。

本发明的有益效果是：由于采用了专门的高精度极低功耗的时间测量芯片，测量精度可达22帕秒，解决了时间测量的分辨率问题。同时在电路设计上，采用了程控放大器、峰值检波电路、A/D转换器和D/A转换器，再配以单片机软件程序控制，保证了上下游回波信号峰值的一致性，使得上下游时间测量的采样基准点相同，所以大大提高了本发明的时间测量精度，同时采用低功耗的单片机和放大器，使测量仪器的功耗非常低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的信号调理电路原理图

图3是本发明的峰值检波器电路原理图

具体实施方式

图中的箭头表示信号的流向。高精度低功耗超声流量计，主要由单片机、时间测量芯片、双驱动电路、上游发射电路、下游发射电路、上游超声探头、下游超声探头、上游接收电路、下游接收电路、信号调理电路、时钟芯片、键盘、液晶屏、RS485通信模块组成。单片机内部至少含有1个12位A/D转换器、1个12位D/A转换器、1个SPI串行口、1个I2C串行口和1个UART串行口。单片机I2C接口与时钟芯片相应接口相连；单片机相应接口与键盘相连；单片机相应接口与液晶屏相应接口相连；单片机UART接口与RS485通信模块相应接口相连；单片机SPI接口及中断输入端与时间测量芯片SPI接口及中断输出端相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入端相连；双驱动电路输出端与上游和下游发射电路输入端相连；上游发射电路输出端与上游超声探头及上游接收电路输入端相连；下游发射电路输出端与下游超声探头及下游接收电路输入端相连；上游和下游接收电路输出端与信号调理电路的模拟开关相应输入端相连；模拟开关受控端与单片机相应I/O端口相连；模拟开关相应输出端与信号调理电路的放大滤波1的差动输入端及时间测量芯片相应输入端相连；信号调理电路峰值检波器输出端与单片机A/D输入端相连。信号调理电路压控放大器受控端与单片机的D/A输出端相连；模拟开关相应输出端分别与时间测量芯片的上游和下游超声回波接收器输入端相连。

在实施例中，单片机采用低功耗的C8051F121；时间测量芯片采用TDS-GP22，TDS-GP22内部具有上下游超声脉冲发生器和上下游超声回波接收器；模拟开关采用CD4053，CD4053具有3组独立的1×2模拟开关。放大滤波1、放大滤波2、信号缓冲器及同相跟随器均采用低噪声、高输入阻抗及高电压跟随率的LF353；程控放大器采用低噪声高动态范围的压控放大器AD603；检波二极管采用肖特基管IN4148；电容采用温度稳定性好的COG型，电子开关采用NLAST4599。

模拟开关输入端A1、B1与上游接收电路输出端相连，输入端A2、B2与下游接收电路输出端相连。模拟开关输出端A3、B3与放大滤波1的差动输入端相连。模拟开关输入端C1与信号缓冲器输出端相连，输出端C2、C3分别与TDS-GP22的上、下游超声回波接收器输入端相连。

本实施例的硬件及软件工作原理和步骤如下：

1、用户通过键盘和液晶屏输入必要的配置参数，然后按确定键，系统进入测量状态。

2、C8051F121通过SPI总线向TDS-GP22发送开始测量指令，同时控制CD4053的3组开关接通下游超声探头通道，以便接收上游超声探头发射的超声波。

3、TDS-GP22收到测量指令后启动内部的上游脉冲发生器，经上游发射电路驱动上游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

4、下游超声探头收到的回波信号经过模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2后分为两路。一路通过信号缓冲器和CD4053送入TDS-GP22的下游超声回波接收器。TDS-GP22在收到回波信号后即关闭内部计时器，并将上游超声波传播时间存入寄存器，同时通过中断口向C8051F121发送中断信号。

5、C8051F121收到中断信号后，即通过SPI接口从TDS-GP22读取上游通道的上游超声波传播时间，然后控制CD4053的3组开关接通上游超声探头通道，以便接收下游超声探头发射的超声波。

6、TDS-GP22在发送中断信号后延迟一段时间，然后启动内部的下游脉冲发生器，经下游发射电路驱动下游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

7、下游超声波传播时间的测量读取过程与上游超声波传播时间的测量读取过程相同。

8、C8051F121根据读取的上下游超声波传播时间计算、显示、保存流速流量数据。

9、重复步骤1-8。

10、上位机通过RS485通信接口发送读命令，当单片机的串行口收到读命令后产生中断信号，单片机在中断程序中向上位机发送测量数据。

11、本发明为了保证时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同，在本实施例中，放大滤波2的输出分为两路，其中一路经峰值检波器送入C8051F121的A/D转换器。峰值检波器的原理及作用是：超声回波信号是振铃形式的正弦波脉冲信号，从放大滤波2的输出端进入峰值检波器的检波二极管的正极，从负极输出后給保持电容充电。因为二极管具有单向导电性，而同相跟随器具有极高的输入阻抗，当与保持电容并联的电子开关断开时，保持电容将一直对超声回波信号充电并保持其峰值。在单片机的程序设计中，仅在回波到达前后的一段时间内，电子开关是断开的，确保保持电容上的电压是回波的峰值电压，C8051F121通过片内的A/D转换器对上下游的回波峰值信号进行采样比较，并通过改变片内D/A转换器的输出电压，调整AD603的增益，使上下游的超声回波信号峰值相同，确保时间测量芯片每次对上下游时间测量的采样基准点相同。当C8051F121每次采样完回波信号后就控制电子开关短路，放掉保持电容两端的电压，为下次采样作准备。

Claims (4)

1.高精度低功耗超声流量计，主要由单片机、时间测量芯片、双驱动电路、上游发射电路、下游发射电路、上游超声探头、下游超声探头、上游接收电路、下游接收电路、信号调理电路、时钟芯片、键盘、液晶屏、RS485通信模块组成。单片机内部至少含有1个12位A/D转换器、1个12位D/A转换器、1个SPI串行口、1个I2C串行口和1个UART串行口。单片机I2C接口与时钟芯片相应接口相连；单片机相应接口与键盘相连；单片机相应接口与液晶屏相应接口相连；单片机UART接口与RS485通信模块相应接口相连；单片机SPI接口及中断输入端口与时间测量芯片SPI接口及中断输出端口相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入接口相连；双驱动电路输出接口分别与上游发射电路输入端和下游发射电路输入端相连；上游发射电路输出端与上游超声探头输入端及上游接收电路输入端相连；下游发射电路输出端与下游超声探头输入端及下游接收电路输入端相连；上游接收电路输出端和下游接收电路输出端分别与信号调理电路相应输入端相连；信号调理电路相应输入输出端口分别与时间测量芯片及单片机相应端口相连。

2.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：信号调理电路由模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2、信号缓冲器和峰值检波器组成。模拟开关具有3组独立的1×2双向开关。模拟开关输入端A1、B1与上游接收电路输出端相连，输入端A2、B2与下游接收电路输出端相连。模拟开关输出端A3、B3与放大滤波1的差动输入端相连。模拟开关输入端C1与信号缓冲器输出端相连，输出端C2、C3分别与时间测量芯片的上游和下游超声回波接收器输入端相连。模拟开关受控端D与单片机相应I/O端口相连。放大滤波1输出端与程控放大器输入端相连；程控放大器输出端与放大滤波2输入端相连；放大滤波2输出端与信号缓冲器及峰值检波器输入端相连；峰值检波器输出端与单片机内A/D输入端相连；程控放大器受控端与单片机内D/A输出端相连。

3.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：峰值检波器由检波二极管、保持电容、电子开关和同相跟随器组成。检波二极管的正极与放大滤波2的输出端相连；检波二极管的负极与保持电容的一个端点、电子开关的一个端点及同相跟随器的输入端相连；保持电容与电子开关并联；电子开关的受控端与单片机相应I/O端口相连；同相跟随器输出端与单片机内部A/D的输入端相连。

4.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：系统软硬件工作过程如下：

⑴单片机复位，对系统进行初始化；用户通过键盘和液晶屏输入必要的配置参数，然后按确定键，系统进入测量状态。

⑵单片机通过SPI总线向时间测量芯片发送开始测量指令，同时控制模拟开关接通下游超声探头通道，以便接收上游超声探头发射的超声波。

⑶时间测量芯片收到测量指令后启动内部的上游脉冲发生器，经上游发射电路驱动上游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

⑷下游超声探头收到的回波信号经过模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2后分为两路。一路通过信号缓冲器和模拟开关送入时间测量芯片的下游超声回波接收器。

⑸时间测量芯片在收到上游回波信号后即关闭内部计时器，并将上游超声波传播时间存入寄存器，同时通过中断口向单片机发送中断信号。

⑹单片机收到中断信号后，即通过SPI接口从时间测量芯片读取上游通道的超声波传播时间，然后控制模拟开关接通上游超声探头通道，以便接收下游超声探头发射的超声波。

⑺时间测量芯片在发送中断信号后延迟一段时间，然后启动内部的下游脉冲发生器，经下游发射电路驱动下游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

⑻上游超声探头收到的回波信号经过模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2后分为两路。一路通过信号缓冲器和模拟开关送入时间测量芯片的上游超声回波接收器。

⑼时间测量芯片在收到下游回波信号后即关闭内部计时器，并将下游超声波传播时间存入寄存器，同时通过中断口向单片机发送中断信号。

⑽单片机收到中断信号后，即通过SPI接口从时间测量芯片读取下游通道的超声波传播时间。单片机根据读取的上下游超声波传播时间计算、显示、保存流速流量数据.。然后重复步骤1-10.

⑾上位机通过RS485通信接口发送读命令，本发明在收到读命令后产生中断信号，然后向上位机发送测量数据。

⑿本发明通过峰值检波器和A/D转换器，由软件控制程控放大器的增益，在每次测量时都通过A/D采样超声回波的峰值，并通过D/A调整程控放大器的增益，确保每次上下游测量的超声回波信号峰值相同，使得时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同，提高测量精度。