CN105444829A - 一种超声波流量测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波流量测量仪，微处理器负责产生换能器驱动信号和对接收信号进行处理，同时负责计量超声波信号在管道中正逆程的传播时间；微处理器启动DMA，读取转换结果，当DMA读取完一帧数据后，触发中断；在中断中，通过切换电路切换两个换能器的收发，读取另一个方向上的数据并存储；当两个方向上的数据都接收存储完毕后，对两组数据做信号处理运算，包括广义互相关计算，峰值检测，得到流量值，并送液晶模块显示。本发明设计的超声流量测量仪具有测量速度快、准确性好、低成本、低功耗等优点。可以测量杂质含量不高(杂质含量小于5g/L，粒径小于1mm)的均匀流体，而且其精度可达±1％。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波流量测量仪。
背景技术
超声波流量测量仪依据超声波入射到流体后，在流体中传播时会携带流体流速的信息，利用接收到的经过流体后的信号就能够得到流体的流速和流量。超声波换能器将电能转换为超声波能量后，将其发射到被测流体中，被接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号，实现流量的检测和显示。
超声波技术早己出现并为人们所使用，但把超声波技术运用到工业测量中，则是近一、二十年来开始的。随着微电子技术的发展，对超声波信号发射、捕捉及处理手段才能得以实现。超声波在流动的液体中传播时，可以载上流体流速的信息，因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声流量测量仪由超声波换能器、发射电路、接收电路、信号处理电路和输入输出装置几部分构成。
通过超声波流量测量仪几十年的发展历程可以看出，美国是最早开展这方面研究的国家，而且很快就有产品投放市场。较早从事这一领域研究的还有前苏联和西欧各国，前苏联的科学家对流量测量理论进行了深入研究，提出用多路超声波流量测量仪消除流场畸变对测量精度的影响，为超声波流量测量仪的发展打下了坚实的基础。日本对超声波流量测量仪的发展起到了极大的促进作用，在消除管外传播时间、提高测量精度和缩短响应时间方面都有独到之处。目前，较为著名的超声波流量测量仪生产商几乎都分布于欧、美、日等发达国家，像是美国的爱默生、康乐创、日本的富士、英国的梅克罗尼、德国科隆等，这些国家在超声流量测量仪的生产、研制等方面技术已经成熟，具有极大的优势，使得发达国家生产的流量测量仪在国际市场上占有相当大的份额。但是，现在市场上销售的进口量计大都价格昂贵，动辄上万元。
我国超声波流量测量仪的研究起步较晚，六七十年代机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北京大学相继进行了超声波流量检测的研究，80年代中期，开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从同本富士电机公司相继引进专用技术，生产具有80年代国际先进水平的超声流量仪表，但是流量测量仪市场基本为国外产品占据。目前我国超声波流量测量仪的研究和生产仍然比较落后，尽管近年来随着国外各大超声波流量测量仪生产公司的产品纷纷进入我国的市场，也带动了国内超声流量测量研究的发展，但是从总体上说，我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距，在国内市场中，高精度的超声波流量测量仪还是国外品牌的天下，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。
我国的超声波流量测量仪研究工作虽然起步落后于欧美日等发达国家，但是凭借自己的努力和学习国外先进的技术，国产的超声波流量测量仪现在己经广泛应用于日常生活和工业现场当中了。并且我国早己于1994年正式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草、分别经国家技术监督局和建设部批准的“JJG198-94速度式流量测量仪”的国家计量检定规程，这是我国超声流量测量仪发展的一个重要标志。目前，国内超声波流量测量仪生产厂家主要有唐山大方汇中仪表有限公司、上海自动化仪表有限公司、重庆兆易科技公司、大连索尼卡电子有限公司等。
本发明的目的在于提出一种超声波流量测量仪，该流量测量仪具有测量速度快、准确性好、低成本、低功耗等优点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超声波流量测量仪，该流量测量仪具有测量速度快、准确性好、低成本、低功耗等优点。可以测量杂质含量不高(杂质含量小于10g/L,，粒径小于1mm)的均匀流体，而且其精度可达±1％。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
超声波流量包括计微处理器最小系统模块，电源模块，复位电路，时钟电路，发射电路，接收电路，切换电路和液晶显示模块等构成；
微处理器产生发射脉冲信号，经发射电路放大缓冲后，驱动超声波换能器；另一个换能器接收到信号后，经接收电路放大后送到微处理器进行数据转换。
微处理器启动DMA，读取转换结果，当DMA读取完一帧数据后，触发中断。
在中断中，通过切换电路切换两个换能器的收发，读取另一个方向上的数据并存储。
当两个方向上的数据都接收存储完毕后，对两组数据做信号处理运算，包括广义互相关计算，峰值检测，得到流量值，并送液晶模块显示。
微处理器为是美国德州仪器(TI)公司推出的一款低功耗、高性能的定点DSP—VC5509A，工作在0.9V下，其核心的功耗仅为0.05mw/MIPS，最高工作频率为200MHz，VC5509A产生发射脉冲信号，经发射电路放大缓冲后，驱动超声波换能器。
电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足VC5509A的电源电压需要(1.6V和3.3V)和存储器模块、CPLD逻辑控制模块等需要的3.3V的电源要求。
复位电路包括上电复位和手动复位两部分，如图2所示，当复位条件满足时，能够确保复位低电平持续足够长的时间(一般需要20ms以上)，产生一个高电平信号BTNRST。
时钟电路为内部振荡器方式，如图3所时候通过设置处理器的时钟发生器的时钟模式寄存器CLKD来控制处理器的时钟发生器。
发射电路使用了加速电容和低阻值的电阻，如图4所示以加快驱动脉冲上升沿的时间。
接收电路使用OP37进行两级放大，每级放大10倍，能够将信号调整到AD转换器的量程范围内，超声换能器接收到的非常小的几毫伏超声波信号能满足后续AD转换电路的量程范围为0-5V的测量要求。
所述切换电路选用模拟开关作为切换元件。与传统的机械触点式开关相比，模拟开关具有切换速率快、耗电省、体积小、无抖动、工作可靠且容易控制等优点。
附图说明
图1是本发明主控电路实施框图
图2是复位电路
图3是内部振荡电路
图4是发射电路
具体实施方式
实施例1
该超声波流量测量仪包括，微处理器最小系统模块，电源模块，复位电路，时钟电路，发射电路，接收电路，切换电路和液晶显示模块等构成；
微处理器产生发射脉冲信号，经发射电路放大缓冲后，驱动超声波换能器；另一个换能器接收到信号后，经接收电路放大后送到微处理器进行数据转换；
微处理器启动DMA，读取转换结果，当DMA读取完一帧数据后，触发中断；
在中断中，通过切换电路切换两个换能器的收发，读取另一个方向上的数据并存储；
当两个方向上的数据都接收存储完毕后，对两组数据做信号处理运算，包括广义互相关计算，峰值检测，得到流量值，并送液晶模块显示。
实施例2
微处理器为是美国德州仪器(TI)公司推出的一款低功耗、高性能的定点DSP—VC5509A，工作在0.9V下，其核心的功耗仅为0.05mw/MIPS，最高工作频率为200MHz，VC5509A产生发射脉冲信号，经发射电路放大缓冲后，驱动超声波换能器。
电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足VC5509A的电源电压需要(1.6V和3.3V)和存储器模块、CPLD逻辑控制模块等需要的3.3V的电源要求。
复位电路包括上电复位和手动复位两部分，当复位条件满足时，能够确保复位低电平持续足够长的时间(一般需要20ms以上)，产生一个高电平信号BTNRST。
时钟电路为内部振荡器方式，通过设置处理器的时钟发生器的时钟模式寄存器CLKD来控制处理器的时钟发生器。
发射电路使用了加速电容和低阻值的电阻，以加快驱动脉冲上升沿的时间。
接收电路使用OP37进行两级放大，每级放大10倍，能够将信号调整到AD转换器的量程范围内，超声换能器接收到的非常小的几毫伏超声波信号能满足后续AD转换电路的量程范围为0-5V的测量要求。
所述切换电路选用模拟开关作为切换元件。与传统的机械触点式开关相比，模拟开关具有切换速率快、耗电省、体积小、无抖动、工作可靠且容易控制等优点。
本发明设计的超声流量测量仪具有测量速度快、准确性好、低成本、低功耗等优点。
可以测量杂质含量不高(杂质含量小于10g/L,，粒径小于1mm)的均匀流体，而且其精度可达±1％。
Claims (8)
1.一种超声波流量测量仪，其特征在于，包括：微处理器最小系统模块，电源模块，复位电路，时钟电路，发射电路，接收电路，切换电路和液晶显示模块；
微处理器负责产生换能器驱动信号和对接收信号进行处理，同时负责计量超声波信号在管道中正逆程的传播时间；
电源模块负责给电路的各个器件提供相适应的电压；
复位电路提供DMA，读取转换结果，当DMA读取完一帧数据后，触发中断；
时钟电路设置处理器的时钟发生器的时钟模式寄存器CLKD来控制处理器的时钟发生器；
当两个方向上的数据都接收存储完毕后，对两组数据做信号处理运算，包括广义互相关计算，峰值检测，得到流量值，并送液晶模块显示。
2.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述微处理器为是C8051F120，工作在3.3V下，其核心的功耗仅为0.05mW/MIPS，最高工作频率为20MHz，VC5509A产生发射脉冲信号，经发射电路放大缓冲后，驱动超声波换能器。
3.根据权利要求2所述的流量测量仪，其特征在于所述电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足VC5509A的电源电压需要(3.3V)和存储器模块、CPLD逻辑控制模块等需要的3.3V的电源要求。
4.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述复位电路包括上电复位和手动复位两部分，当复位条件满足时，能够确保复位低电平持续足够长的时间(一般需要20ms以上)，产生一个高电平信号BTNRST。
5.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述时钟电路为内部振荡器方式，通过设置处理器的时钟发生器的时钟模式寄存器CLKD来控制处理器的时钟发生器。
6.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述发射电路使用了加速电容和低阻值的电阻，以加快驱动脉冲上升沿的时间。
7.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述接收电路使用OP37进行两级放大，每级放大10倍，能够将信号调整到AD转换器的量程范围内，超声换能器接收到的非常小的几毫伏超声波信号能满足后续AD转换电路的量程范围为0-5V的测量要求。
8.根据权利要求1所述的流量测量仪，其特征在于所述切换电路选用模拟开关作为切换元件。
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