CN107941288A - 基于混频的流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混频的流量计。本发明的流量计不再通过高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件做支撑来提高流量计的测量灵敏度，而是采用混频的方式将输入单片机的波形信号的频率降低，从而避免了采用高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件来对较高频率的波形信号进行相位采集，使用简单的电路实现较好的灵敏度，降低了硬件元器件的要求及成本，提高测量精度的同时降低硬件成本。

Description

基于混频的流量计
技术领域
本发明涉及流量计技术领域，尤其涉及一种基于混频的流量计。
背景技术
现有技术，在流速测量中，时差法基于混频的流量计是利用不同流速大小的水中声音的传播速度不同的原理，利用时间测量手段测量出两个超声波探头间声音传播的时间差从而推算出水的流速。在现有的时差法基于混频的流量计中，第一种时差计算方法为：CPLD测量时间方法；所述以CPLD测量时间方法以复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device，缩写CPLD)测量时间差为核心技术进行流量计的开发，此类技术方案通过换能器驱动、换能器接收、信号放大、电平比较、CPLD时间采集及单片机运算。
第二种时差计算方法为：以测量相位差的方法来测量时间差；其原理就是通过超声波探头发射某一频率的超声波，然后采集并比较比频率接收信号与预设信号的相位差，通过离散傅氏变换的快速算法(Fast FourierTransformation，缩写FFT)方法得到两路信号的时间差进而推算出流速信息；此类技术方案为：换能器驱动、换能器接收、信号放大、相位信息采集、FFT相位时间采集及单片机运算。如图1所示，图1为现有技术中采用以测量相位差的方法来测量时间差确定水流流速的电路结构框图。
上述CPLD测量时间方法在时间差采集精度上无法满足完成低流速的流速测量，按CPLD测量时间方法的流量计在小管径情况下只能测出0.3m/s以上的流速。测量相位差的方法可以得到更好的测量精度，但需要大量的数值运算与数据空间，则硬件上需要更多运算能力及内存空间做支持，导致开发成本较高，如何在现有技术的测量相位差的方法基础上，保证测量精度的同时降低硬件成本是亟待解决的问题。
上述信息仅用于个性理解本发明的技术方案，并不代表承认上述信息是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于混频的流量计，旨在解决上述无法在低硬件配置的情况下提高测量流速的精度的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于混频的流量计，所述基于混频的流量计包括：波形信号发生器、发射探头、接收探头及混频电路，所述波形信号发生器与所述发射探头及所述混频电路分别相连，所述接收探头与所述混频电路相连；
所述波形信号发生器，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，所述第一频率波形信号和第二频率波形信号之间的频率差为预设频率；
所述波形信号发生器，还用于将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号发送至所述混频电路，并将所述第一频率波形信号还发送至所述发射探头；
所述发射探头，用于将所述第一频率波形信号发射至管道中，通过管道中的水流传输至所述接收探头；
所述接收探头，用于接收所述第一频率波形信号经过水流传输获得的第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路；
所述混频电路，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号发送至单片机，以使所述单片机根据所述第一路混频信号及所述第二路混频信号确定所述水流的流速。
优选地，所述基于混频的流量计还包括：第一放大电路，所述第一放大电路连接在所述接收探头及所述混频电路之间；
所述接收探头，还用于将所述第三频率波形信号发送至所述第一放大电路；
所述第一放大电路，用于将所述第三频率波形信号进行放大，将放大的第三频率波形信号发送至所述混频电路。
优选地，所述发射探头，还用于将所述第一频率波形信号转换为超声波，并将所述超声波发射至所述管道，通过所述管道中的水流传输至所述接收探头；
所述接收探头，还用于将所述超声波转换为所述第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路。
优选地，所述基于混频的流量计还包括：第二放大电路，所述第二放大电路与所述混频电路连接；
所述第二放大电路，用于将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号进行放大，将放大的第一路混频信号及放大的第二路混频信号发送至所述单片机。
优选地，所述混频电路包括第一路混频器及第二路混频器；
所述第一路混频器，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，并将所述第一路混频信号发送至所述第二放大电路；
所述第二路混频器，用于将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第二路混频信号发送至所述第二放大电路。
优选地，所述基于混频的流量计还包括：切换电路，所述切换电路连接在所述发射探头及所述接收探头之间；
所述切换电路，用于将所述发射探头及所述接收探头进行切换。
优选地，所述切换电路包括：第一开关及第二开关，所述第一开关连接在所述发射探头与所述波形信号发生器之间，所述第二开关连接在所述接收探头与所述第二放大电路之间，并且，所述第一开关还与所述接收探头连接，所述第二开关还与所述发射探头连接；
所述第一开关，用于接通所述发射探头或所述接收探头；
所述第二开关，用于在所述第一开关接通所述发射探头时，接通所述接收探头，在所述第一开关接通所述接收探头时，接通所述发射探头。
优选地，所述波形信号发生器包括：依次相连地信号生成器、驱动电路及换能器；
所述信号生成器，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，将所述第一频率波形信号及第二频率波形信号发送至所述混频电路，并将所述第一频率波形信号还发送至所述发射探头；
所述驱动电路，用于通过所述第一频率波形信号对所述换能器进行触发；
所述换能器，用于被触发时，将所述第一频率波形信号发送至所述发射探头。
本发明的流量计不再通过高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件做支撑来提高流量计的测量灵敏度，而是采用混频的方式将输入单片机的波形信号的频率降低，从而避免了采用高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件来对较高频率的波形信号进行相位采集，使用简单的电路实现较好的灵敏度，降低了硬件元器件的要求及成本，提高测量精度的同时降低硬件成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明现有技术中流量计结构框图；
图2为本发明一种基于混频的流量计第一实施例的基于混频的流量计结构框图；
图3为本发明一种基于混频的流量计第二实施例的基于混频的流量计结构框图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 波形信号发生器 20 发射探头
30 接收探头 40 混频电路
50 第一放大电路 60 第二放大电路
00 基于混频的流量计
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图2，图2为本发明一种基于混频的流量计第一实施例的基于混频的流量计结构框图。
如图2所示，所述基于混频的流量计00包括：所述基于混频的流量计包括：波形信号发生器10、发射探头20、接收探头30及混频电路40，所述波形信号发生器10与所述发射探头20及所述混频电路40分别相连，所述接收探头30与所述混频电路40相连；
所述波形信号发生器10，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，所述第一频率波形信号和第二频率波形信号之间的频率差为预设频率；
所述波形信号发生器10，还用于将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号发送至所述混频电路40，并将所述第一频率波形信号还发送至所述发射探头20；
所述发射探头20，用于将所述第一频率波形信号发射至管道中，通过管道中的水流传输至所述接收探头30；
所述接收探头30，用于接收所述第一频率波形信号经过水流传输获得的第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路40；
所述混频电路40，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号发送至单片机，以使所述单片机根据所述第一路混频信号及所述第二路混频信号确定所述水流的流速。
应理解的是，通常所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号通过所述波形信号发生器10生成，所述波形信号发生器10会将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号发送至所述混频电路40的第一路混频器进行混频，获得1KHZ的第一路混频信号。
需要说明的是，为了计算水流的流速，所述波形信号发生器10还会将所述第一频率波形信号通过所述发射探头20发射至管道，通过管道的水流传输至所述接收探头30。
应理解的是，为了计算出水流的流速，通常将所述第一频率波形信号通过发射探头20将所述第一频率波形信号转换成超声波，并将所述超声波发射至管道，通过管道中的水流传输至接收探头30，所述接收探头30将所述超声波进行转换，转换成所述第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路40，本实施例中，所述发射探头20，还用于将所述第一频率波形信号转换为超声波，并将所述超声波发射至所述管道，通过所述管道中的水流传输至所述接收探头30；所述接收探头30，还用于将所述超声波转换为所述第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路40。
应理解的是，通常所述预设频差为1KHZ，所述第一频率波形信号可以设置为频率为1MHZ的波形信号，则所述第二频率波形信号为频率为1.001MHZ的波形信号，所述混频电路40，用于将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号进行混频，获得第一路混频信号，所述第一路混频信号的频率为1KHZ，为了计算出水流的流速，通常将所述第一频率波形信号通过发射探头将所述第一频率波形信号转换成超声波，并将所述超声波发射至管道，通过管道中的水流传输至接收探头，所述接收探头将所述超声波进行转换，转换成所述第三频率波形信号，所述第三频率波形信号的频率与所述的第一频率波形信号的频率相同，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路，所述混频电路将所述第三频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频，获得所述第二路混频信号，所述第二路混频信号的频率为1KHZ，也就是说，通过混频技术，将信号的频率都降低了，对较低频率的信号进行相位采集，不需要增加硬件成本。
需要说明的是，现有技术中未采用混频技术，如图1所示，直接通过所述单片机对所述第一频率波形信号及所述第三频率波形信号进行相位采集，根据采集的相位计算相位差，根据相位差计算水流的流速。因不进行混频的第一频率波形信号及第二频率波形信号的频率都很高，比如都为1MHZ，造成采集相位需要很强大的硬件支持，成本很高。然而，本实施例通过所述混频电路对所述第一频率波形信号、第二频率波形信号及所述第三频率波形信号分两路进行混频，获得的所述第一路混频信号及所述第二路混频信号的频率都为1KHZ，频率变低了，降低了硬件成本，同时也保证了测量精度。
在具体实现中，所述单片机通过采集所述第一路混频信号的第一相位，并采集所述第二路混频信号的第二相位，根据所述第一相位及所述第二相位计算相位差，再根据所述相位差计算所述水流的流速。单片机采集相位及根据所述相位差计算水流的流速都是现有技术，本实施例的核心技术为利用混频技术降低了待采集信号的频率，从而降低了硬件要求，节约了成本。
本实施例的流量计不再通过高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件做支撑来提高流量计的测量灵敏度，而是采用混频的方式将输入单片机的波形信号的频率降低，从而避免了采用高性能、高运算能力及大容量的硬件元器件来对较高频率的波形信号进行相位采集，使用简单的电路实现较好的灵敏度，降低了硬件元器件的要求及成本，提高测量精度的同时降低硬件成本。
参照图3，基于上述第一实施例提出本发明一种基于混频的流量计的第二实施例。
在本实施例中，如图3所示，所述基于混频的流量计00还包括：第一放大电路50，所述第一放大电路50连接在所述接收探头30及所述混频电路40之间；
所述接收探头30，还用于将所述第三频率波形信号发送至所述第一放大电路50；
所述第一放大电路50，用于将所述第三频率波形信号进行放大，将放大的第三频率波形信号发送至所述混频电路40。
需要说明的是，所述发射探头将所述第一频率波形信号转换为超声波，并将所述超声波通过水流传输至所述接收探头30，所述接收探头30将经过水流传输的超声波转换为所述第三频率波形信号，所述第三频率波形信号通常比较微弱，经过所述第一放大电路50将所述第三频率波形信号进行放大，放大的第三频率波形信号才能更好地被所述混频电路识别，并实现混频。
在本实施例中，所述基于混频的流量计00还包括：第二放大电路60，所述第二放大电路60与所述混频电路40连接；
所述第二放大电路60，用于将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号进行放大，将放大的第一路混频信号及放大的第二路混频信号发送至所述单片机。
应理解的是，所述混频电路40发送出的信号通常比较微弱，不易被所述单片机10识别，为了使信号更加容易被所述单片机10识别，通常所述混频电路40与所述单片机之间连接所述第二放大电路60，通过所述第二放大电路60将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号进行放大，放大的第一路混频信号及第二路混频信号更容易被识别。
可理解的是，为了提高效率，所述混频电路40包括两路混频电路，通过两路混频电路，分别将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号进行混频，以及将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路，所述混频电路将所述第三频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频，本实施例中，所述混频电路包括第一路混频器及第二路混频器；所述第一路混频器，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，并将所述第一路混频信号发送至所述第二放大电路60；所述第二路混频器，用于将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第二路混频信号发送至所述第二放大电路60。
可理解的是，为了计算水流的流速，通常还可将所述发射探头20及所述接收探头30通过切换电路进行切换，使得所述发射探头20切换成接收探头，用于接收所述第一频率波形信号；所述接收探头30转换为发射探头，用于发射所述第一频率波形信号。所述第一频率波形信号由发射探头转换为超声波发射至管道，通过所述管道中的水流传输至接收探头，发射探头及接收探头进过切换电路进行切换前后，因水流流向不同，传输所述超声波消耗的时间也不同，可利用此时间差计算相应的水流流速。本实施例中，所述基于混频的流量计还包括：切换电路，所述切换电路连接在所述发射探头及所述接收探头之间；所述切换电路，用于将所述发射探头及所述接收探头进行切换。
应理解的是，为了简化电路及节约成本，所述切换电路可通过简单的开关实现，将所述发射探头20及所述接收探头30之间并联两个开关，并且一个开关与所述波形信号发生器连接，另一个开关与所述第二放大电路相连，通过将两个开关在所述发射探头20及所述接收探头30之间切换接通，实现所述发射探头20及所述接收探头30之间的切换。本实施例中，所述切换电路包括：第一开关及第二开关，所述第一开关连接在所述发射探头与所述波形信号发生器10之间，所述第二开关连接在所述接收探头与所述第二放大电路60之间，并且，所述第一开关还与所述接收探头连接，所述第二开关还与所述发射探头连接；所述第一开关，用于接通所述发射探头或所述接收探头；所述第二开关，用于在所述第一开关接通所述发射探头时，接通所述接收探头，在所述第一开关接通所述接收探头时，接通所述发射探头。所述第一开关接通所述发射探头时，所述第二开关接通所述接收探头，则所述发射探头用于接收所述波形信号发生器10发送的第一频率波形信号，并发射所述第一频率波形信号，所述接收探头用于接收信号；所述第一开关接通所述接收探头时，所述第二开关接通所述发射探头，则所述发射探头用于接收信号，所述接收探头用于接收所述波形信号发生器10发送的第一频率波形信号，并发射所述第一频率波形信号，即实现了所述发射探头及所述接收探头之间的切换。
在具体实现中，波形信号通常为信号生成器生成，通常在所述波形信号发生器10中的换能器被触发时，将所述第一频率波形信号发送至所述发射探头20，所述换能器的触发通常为驱动电路通过所述第一频率波形信号实现，本实施例中，所述波形信号发生器10包括：依次相连地信号生成器、驱动电路及换能器；所述信号生成器，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，将所述第一频率波形信号及第二频率波形信号发送至所述混频电路；所述驱动电路，用于通过所述第一频率波形信号对所述换能器进行触发；所述换能器，用于被触发时，将所述第一频率波形信号发送至所述发射探头。
本实施例，通过第一放大电路及第二放大电路将微弱的信号进行放大，使得放大后的信号更容易识别，利于后续电路对放大信号的识别，时差法流量计有更高的流速测量灵敏度，可测量出0.02m/s的流速且在小尺寸的管径中仍可达到较好的灵敏度，是检测管道中流体的流速流量提供有力的保障；在测量精度上可以达到1％，做到管道流体流速流量稳定测量且不漏测。本实施例应用的方法无需高性能、高运算能力、大容量的硬件元器件做支撑，简化硬件消耗，节约了硬件成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于混频的流量计，其特征在于，所述基于混频的流量计包括：波形信号发生器、发射探头、接收探头及混频电路，所述波形信号发生器与所述发射探头及所述混频电路分别相连，所述接收探头与所述混频电路相连；
所述波形信号发生器，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，所述第一频率波形信号和第二频率波形信号之间的频率差为预设频率；
所述波形信号发生器，还用于将所述第一频率波形信号及所述第二频率波形信号发送至所述混频电路，并将所述第一频率波形信号还发送至所述发射探头；
所述发射探头，用于将所述第一频率波形信号发射至管道中，通过管道中的水流传输至所述接收探头；
所述接收探头，用于接收所述第一频率波形信号经过水流传输获得的第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路；
所述混频电路，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号发送至单片机，以使所述单片机根据所述第一路混频信号及所述第二路混频信号确定所述水流的流速。
2.如权利要求1所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述基于混频的流量计还包括：第一放大电路，所述第一放大电路连接在所述接收探头及所述混频电路之间；
所述接收探头，还用于将所述第三频率波形信号发送至所述第一放大电路；
所述第一放大电路，用于将所述第三频率波形信号进行放大，将放大的第三频率波形信号发送至所述混频电路。
3.如权利要求2所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述发射探头，还用于将所述第一频率波形信号转换为超声波，并将所述超声波发射至所述管道，通过所述管道中的水流传输至所述接收探头；
所述接收探头，还用于将所述超声波转换为所述第三频率波形信号，并将所述第三频率波形信号发送至所述混频电路。
4.如权利要求3所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述基于混频的流量计还包括：第二放大电路，所述第二放大电路与所述混频电路连接；
所述第二放大电路，用于将所述第一路混频信号及所述第二路混频信号进行放大，将放大的第一路混频信号及放大的第二路混频信号发送至所述单片机。
5.如权利要求4所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述混频电路包括第一路混频器及第二路混频器；
所述第一路混频器，用于将所述第一频率波形信号与所述第二频率波形信号进行混频获得第一路混频信号，并将所述第一路混频信号发送至所述第二放大电路；
所述第二路混频器，用于将所述第二频率波形信号与所述第三频率波形信号进行混频获得第二路混频信号，并将所述第二路混频信号发送至所述第二放大电路。
6.如权利要求5所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述基于混频的流量计还包括：切换电路，所述切换电路连接在所述发射探头及所述接收探头之间；
所述切换电路，用于将所述发射探头及所述接收探头进行切换。
7.如权利要求6所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述切换电路包括：第一开关及第二开关，所述第一开关连接在所述发射探头与所述波形信号发生器之间，所述第二开关连接在所述接收探头与所述第二放大电路之间，并且，所述第一开关还与所述接收探头连接，所述第二开关还与所述发射探头连接；
所述第一开关，用于接通所述发射探头或所述接收探头；
所述第二开关，用于在所述第一开关接通所述发射探头时，接通所述接收探头，在所述第一开关接通所述接收探头时，接通所述发射探头。
8.权利要求7所述的基于混频的流量计，其特征在于，所述波形信号发生器包括：依次相连地信号生成器、驱动电路及换能器；
所述信号生成器，用于产生第一频率波形信号及第二频率波形信号，将所述第一频率波形信号及第二频率波形信号发送至所述混频电路，并将所述第一频率波形信号还发送至所述发射探头；
所述驱动电路，用于通过所述第一频率波形信号对所述换能器进行触发；
所述换能器，用于被触发时，将所述第一频率波形信号发送至所述发射探头。
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