CN108917864A - 一种分时测量的四声道超声波气体流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分时测量的四声道超声波气体流量计，包括四对超声波换能器，设置成X+X型。将四对超声波换能器分别连接到模拟开关上，由MCU控制模拟开关选择换能器工作状态。当其处于发送状态时，由MCU控制超声波驱动信号电路产生并发送超声波信号；当处于接收状态时，接收信号经过超声波调理电路输出后，进行阈值比较，产生方波信号，MCU捕获所得方波信号。所述MCU还连接有铁电存储电路，复位电路，红外遥控电路，液晶显示，RS485通信，温度补偿模块，压力补偿模块。本发明能够实现超声波气体的宽量程测量，并且可以测到很低的流量；同时大大减少了电路设计的复杂性，并且有效的降低了流量计的成本。同时，由于控制信号是由MCU定时软产生，这样稳定度高，超声波信号易同步。能够稳定、精确的对瓦斯气体流量进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及气体流量监测领域，尤其涉及一种分时测量的四声道超声波气体流量计，属新型计量器械测量领域。
背景技术
气体流量监测是煤矿瓦斯抽采监测和治理的重要内容，但煤矿工况条件复杂，瓦斯抽放管路内流量变化范围大，而且瓦斯抽采气体中含有大量的水汽和粉尘，对流量计的测量准确性和稳定性都产生了极大的不利影响。目前煤矿瓦斯抽采监测采用的一般是传统的机械式流量计，主要有孔板流量计、旋进漩涡流量计和涡街流量计等流量计。由于机械转动部件容易使其磨损，或由于传感器受介质的污染乃至腐蚀，导致这些流量计的性能容易变差，并且其性能受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响较大。
相比较上述计量设备，超声波气体流量计在诸多方面占据优势，超声波测量采用无阻碍测量技术，不存在活动部件，在测量过程中能量消耗低，可长期保持足够高的流体测量精度。
同时，由声道数的不同，超声波气体流量计又分为单声道超声波气体流量计、双声道超声波气体流量计和多声道超声波气体流量计。但是，由于工况条件的复杂多变，气体在管道中传输时的流速分布并不均匀，单声道和双声道超声波气体流量计所测的流速并不能充分反映出管道内的流体流速。相比之下，多声道流量计通过测量每个声道所在位置的线流速，然后通过数据融合的方式将这些线流速进行融合，求得管道中的流体流速，测量精度更高。
目前，国内的多声道超声波气体流量计成本较高且总体的测量性能不高，不可否认国内超声波流量测量技术研究相较于国外差距较大，体现在测量精度和适用口径大小方面。而如今国内天然气和矿用煤气等工业应用对流量计的需求越来越大。因此，设计一种稳定且精度高的多声道气体流量计超声波气体流量计，具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种分时测量的四声道超声波气体流量计，所采用的分时测量方法，不仅防止了各声道同时工作时换能器发射的超声波驱动信号互相干扰，提高了流量测量结果的准确性；又有效降低了流量计的成本和硬件电路的复杂性，使超声波流量计只需一个超声波换能器发射电路和接收信号调理电路。同时，由于控制信号是由MCU定时软产生，这样稳定度高，超声波信号易同步，能够可靠、稳定、准确的对瓦斯气体流量进行测量，能够实现超声波气体宽量程测量。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种分时测量的四声道超声波气体流量计，包括四对超声波换能器。其中第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，即声道一；第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组，即声道二；第五超声波换能器和第六超声波换能器为一组，即声道三；第七超声波换能器和第八超声波换能器为一组，即声道四。
四对超声波换能器分别连接到模拟开关上，通过MCU控制模拟开关选择一组换能器的工作状态。即当其处于发送状态时，由MCU控制超声波驱动信号电路产生并发送超声波信号，当处于接收状态时候，接收信号经过超声波调理电路输出后，进行阈值比较，产生方波信号，MCU捕获所得方波信号。所述MCU还连接有铁电存储电路，复位电路，红外遥控电路，液晶显示，RS485通信，温度补偿模块，压力补偿模块。
进一步，所述的四对超声波换能器呈X+X型分布安装，四个声道的轴线与流体输送管道的轴线夹角均为60°。
进一步，所述MCU芯片型号为STM32F407。
进一步，所述超声波流量计的四个声道采用分时测量方式，即同一时间只有被选择的声道在工作，并且一个换能器工作处于发射状态，另一个换能器工作处于接收状态。
进一步，所述超声波流量计如果无通道被选择，则由铁电记录且模块重新进行初始化。
进一步，所述温度补偿模块和压力补偿能够在校准超声波气体流量计时，通过采集实时的温度和压力值对所测流量进行合理的补偿。
进一步，所述复位电路是对MCU进行的一种欠压保护。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
1.与传统测量方式相比，本发明的四声道超声波气体流量计采用分时工作方式，既避免了声道同时工作时信号互相干扰，又减少了电路设计的复杂性；在大口径测量时，有效降低了流量计的成本。
2.本发明的四声道超声波气体流量计抗干扰能力强，量程比宽，可以稳定、精确的对瓦斯气体流量进行测量。
附图说明
图1为本发明的四声道“X+X”型超声波气体流量计的管段设计图；
图2为本发明的分时测量四声道超声波气体流量计整体结构图；
图3为本发明的分时测量电路图；
图4为本发明的分时测量流程图；
图5为本发明使用的模拟开关芯片的真值表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明的分时测量四声道超声波气体流量计包括四对相互独立的超声波换能器，设置成X+X型。其中第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，即声道一；第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组，即声道二；第五超声波换能器和第六超声波换能器为一组，即声道三；第七超声波换能器和第八超声波换能器为一组，即声道四。四对换能器按照Z法布置在管道不同高度的水平截面上，四个声道的轴线与流体输送管道的轴线夹角均为60°；每两个相邻的声道之间相互交叉，四个声道所在的平面相互平行，这种四声道X+X型布置方式能够有效降低管道中气体流速分布不均对测量的不利影响，具有较强的抗干扰能力。
如图2所示，四对超声波换能器分别连接到模拟开关上，通过MCU控制模拟开关选择换能器工作状态。即当其处于发送状态时，由MCU控制超声波驱动信号电路产生并发送超声波信号，当处于接收状态时候，接收信号经过超声波调理电路输出后，进行阈值比较，产生方波信号，MCU捕获所得方波信号。所述MCU还连接有铁电存储电路，复位电路，红外遥控电路，液晶显示，RS485通信，温度补偿模块，压力补偿模块。
在本发明优选的实施例中，所述MCU芯片的信号为STM32F407。复位电路是对MCU进行的一种欠压保护，防止电压出现波动时，对硬件电路造成损坏；压力补偿模块与温度补偿模块是在校准超声波气体流量计时，通过采集得到的实时的压力和温度对流量测量进行合理的补偿。
如图3所示，本发明的四声道超声波气体流量计中，采用分时工作的方式，即同一时间只有被选择的声道在工作，并且一个换能器工作在发射状态，另一个换能器在接收状态，其状态由MCU选择控制。如图4所示，第一，第二超声波换能器连接到一片模拟开关输出端，其输入端为超声波驱动电路的输出端；第三，第四超声波换能器连接到一片模拟开关的输出端，其输入端为超声波调理电路输入端；第五，第六超声波换能器连接到一片模拟开关输出端，其输入端为超声波驱动电路的输出端；第七，第八超声波换能器连接到一片模拟开关输出端，其输入端为超声波调理电路输入端，共计4片模拟开关，通过MCU控制4片模拟开关的选择换能器工作状态。
图中四片模拟开关的型号相同，第一超声波换能器M1和第二超声波换能器M2连接到模拟开关U7上，第三超声波换能器M3第四超声波换能器M4连接到模拟开关U8上。模拟开关U7的输入端接超声波驱动信号的输出端QD+，QD-，模拟开关U8的输入端连接超声波接收调理电路的输入端RC+，RC-。模拟开关U7,U8的控制端B，A以及使能端EN1,EN2均为MCU控制。模拟开关U7的输出端X0Y0，X1YI，X2Y2，X3Y3分别与模拟开关芯片U8的X2Y2，X3Y3，X0Y0，X1YI相连。
如图4所示，当MCU控制模拟开关U7,U8的使能端为0且控制端B，A输出0，0时，模拟开关U7使第一超声波换能器M1连接到超声波驱动信号输出端QD+，QD-，第一超声波换能器M1处于发送状态；同时模拟开关U8使第二超声波换能器M2连接到超声波接收调理电路输入端RC+，RC-，第二超声波换能器M2处于接收状态。
当MCU控制模拟开关U7，U8的控制端B，A输出1，0时，第一超声波换能器M1处于接收状态；第二超声波换能器M2处于发送状态。至此为声道一的一次超声波顺逆流时间检测。
当MCU控制模拟开关U7,U8的控制端B,A输出1，0和1，1时，能够得到声道二的一次顺逆流时间检测。声道三，声道四同上。如果无通道被选择，则由铁电记录，且模块重新进行初始化。
最后通过得到的管道不同位置的流体速度分布，以及温度，压力补偿，按照相应的声道权系数方案计算后，得出流体流速。
同时，由于控制信号是由MCU定时的软产生，这样稳定度高，超声波信号易同步。
综上所述本发明的一种分时测量的四声道超声波气体流量计能够有效的节约成本，减少电路设计的复杂性，同时抗干扰能力强，量程比宽，可以稳定、精确的对瓦斯气体流量进行测量。
Claims (7)
1.一种分时测量的四声道超声波气体流量计，其特征在于，包括四对超声波换能器。其中第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，即声道一；第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组，即声道二；第五超声波换能器和第六超声波换能器为一组，即声道三；第七超声波换能器和第八超声波换能器为一组，即声道四。
四对超声波换能器分别连接到模拟开关，由MCU控制模拟开关选择换能器工作状态。当其处于发送状态时，由MCU控制超声波驱动信号电路产生并发送超声波信号；当处于接收状态时，接收信号经过超声波调理电路输出后，进行阈值比较，产生方波信号，MCU捕获所得方波信号。所述MCU还连接有铁电存储电路，复位电路，红外遥控电路，液晶显示，RS485通信，温度补偿模块，压力补偿模块。
2.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，其特征在于，所述的四对超声波换能器呈X+X型分布安装，四个声道的轴线与流体输送管道的轴线夹角均为60°。
3.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，其特征在于，所述MCU芯片型号为STM32F407。
4.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波流量计的四个声道采用分时工作方式，即同一时间只有被选择的声道在工作，并且一个换能器工作在发射状态，另一个换能器工作在接收状态，选择信号由MCU定时软产生。
5.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，如果无通道被选择，则由铁电记录，且模块重新进行初始化。
6.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，其特征在于，所述温度补偿模块和压力补偿能够在校准超声波气体流量计时，通过采集实时的温度和压力值对所测流量进行合理的补偿。
7.根据权利1所述的四声道超声波气体流量计，其特征在于，所述复位电路是对MCU进行的一种欠压保护。
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