CN108955788A - 一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计。换能器采用Z型安装方式，两个换能器分别连接到两个二选一电子模拟开关上的端口，通过二选一电子开关的选择，将接收信号通过电路信号处理，完成顺逆流两个方向的时间测量，实现时差法的高精度超声波气体流量的测量。整个过程主要包括测量计时芯片、超声波收发电路、模拟开关、接收信号处理模块、单片机芯片等。其中接收信号处理模块又包括前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、峰值保持电路、电压比较电路；而单片机芯片外接流量显示模块、数值键入模块和电源供电模块。本发明通过高精度时间数字转换芯片的优化信号处理方式及低功耗外接电路进一步提高流量测量精度。

Description

一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计

一、技术领域

本发明涉及一种气体流量计，特别是一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计。

二、背景技术

相较于传统的气体流量测量方法而言，超声波气体流量计作为一种新型的气体流量测量方式，而时差法测量原理就是通过超声波脉冲沿顺、逆流两个方向上声传播时间的不同来测量管道气体的流速和流量的方法。

其特点突出：测量精确度高、量程比宽、无压力损失、无可动部件、可测量双向及脉冲气流，并且其安装使用更加方便。

三、发明内容

本发明针对超声波气体流量计目前存在的某些问题，提出了一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，通过超声波在顺逆流两个方向传播的时间差的测量原理，采用测量精度更好的计时芯片，优化设计接收信号处理模块，并在计时技术上，提出了一种在低功耗条件下，实现高精度计时的方法，使得其超声波气体流量测量精度较原有基础有所提高。

本发明所要达到的目的是通过以下技术方案实现的：

一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计,通过Z型安装方式，将两个换能器分别连接在两个二选一电子模拟开关的输入端和输出端上，通过二选一电子模拟开关的选择，实现超声波脉冲信号在管道顺、逆流两个方向上的时间传播间隔的测量，整个过程由单片机芯片控制，经过测量计时芯片、发射电路、接收电路、接收信号处理模块等，进一实现超声波气体流量的测量。

可选地，所述超声波换能器为发射与接收一体化的结构，包括测量计时芯片、超声波发射电路、超声波换能器和超声波接收电路。

超声波发射电路发射超声波高频脉冲信号，该超声波脉冲信号属于超声波换能器的共振频率，接收端超声波换能器接收到来自超声波发射端的超声波信号，并进一步实现信号转换。

可选地，所述超声波发射电路模块包括脉冲发射电路、升压电路。

可选地，所述模拟开关通过二选一电子开关的选择，将第一换能器与第二换能器分别作为发射端和接收端，在顺逆流两个方向发射和接收超声波信号。

可选地，所述前置放大电路为两级放大电路，将接收的初始微弱的正弦波信号进行放大。

可选地，所述带通滤波电路对通过放大电路之后的放大信号实行带通滤波，其作用是为了消除低频及高频噪声信号。

可选地，所述自动增益控制电路保持接收端电压的稳定性。

可选地，所述峰值保持电路采集超声波接收端信号，将接收到的超声波信号的大小固定在某一个固定值，并进一步将采集的信号发送给单片机处理。

可选地，所述电压比较电路将所收集的信号幅值与给定幅值进行比较，将比较结果发送给单片机。

可选地，所述单片机芯片选择STM32系列，控制超声波发射电路的信号发射、键盘数值的输入和流量数据的显示。

可选地，所述电源供电模块为整个超声波气体流量测量系统各部分模块单位提供稳定的电源。

四、附图说明

图1为本发明的整体测量过程结构示意图；

图2为本发明的接收信号处理流程示意图；

图3为本发明的单片机芯片外接端口模块示意图；

图4为本发明的MAX35104测量计时芯片外围电路；

图5为本发明的STM32F103单片机芯片外围电路。

五、具体实施方式

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完整清晰地描述，当然，所描述的实施例只是本发明中的一部分实施例，并不是全部的实施例。

在现有的大多数单声道超声波气体流量测量中，由于接收到的超声波信号没有进行多级放大处理及不合理的信号处理方式，不能够较为准确的测量出顺、逆流两个方向的出传播时间，因此测量的结果精度不够。

本发明提出了一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，下面将结合附图进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，将一组超声波换能器T1、T2设置成Z型。超声波换能器T1和超声波换能器T2为收发一体化结构，在测量管道顺流方向时间时，通过二选一电子模拟开关S1的选择将超声波换能器T1作为超声波信号的发射端，而超声波换能器T2就作为超声波信号的接收端；在测量管道逆流方向的时间时，通过二选一电子模拟开关S1的选择将超声波换能器T2作为超声波信号的发射端，而超声波换能器T1则作为超声波信号的接收端。

本发明的超声波换能器收发一体化结构，具体是由STM32系列的单片机控制MAX35104测量计时芯片发出指令，进一步通过发射电路产生超声波信号源来驱动超声波换能器T1或T2发射超声波高频脉冲信号。

当管道中有流体流动时，一般情况下，顺、逆流两个方向的最小传播时间差为数百纳秒，本发明中所用到的MAX35104计时芯片的计时精度能够达到700ps，测量范围高达400μs，计时精度高。

而本发明中为了进一步提高计时精度，在计时技术方法上，提出采用4MHz高精度、高稳定度时钟晶振，同时在发射端让超声波换能器连续发射10至50次的超声波信号，通过计时器计量总的时间，求取出平均时间，达到提高计时检测精度的目的。

本发明的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，在接收端通过二选一电子模拟开关S2的选择控制，经过接收电路接收来自管道顺、逆流两个方向的超声波信号，进一步将收集的信号通过接收信号处理模块进行细致化处理，得到所需信号，将有用信息发送给单片机进行计算处理。

如图2所示，本发明的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计中，接收端所接收到的超声波信号，通过接收电路将超声波信号转换成电信号，而由于超声波信号在传递过程中衰减幅度大、信号不稳定，因此所得到的信号极其的微弱。需要对接收到的信号通过前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、峰值保持电路以及电压比较电路等方面进行信号的处理。

由于超声波信号存在严重的衰减问题，而气体中超声能量的衰减与超声频率成正比，为了在接收端保持一定的信噪比，本发明中超声波换能器的工作频率选择200kHz。MAX35104芯片的高脉冲放大器分为两级，第一放大级是固定的20dB增益放大器。内部模拟开关自动将该放大器的输入连接到适当的接收传感器。第二放大级是可编程增益放大器(PGA)。PGA具有10dB至30dB的可编程范围。

为避免干扰信号对后续有效信号的影响，带通滤波电路对经过前置放大电路之后的放大信号实行带通滤波，中心频率可编程为125kHz至500kHz。MAX35104提供集成和自动化的中心频率校准程序，可用于选择和设置适当的中心频率，从而达到进一步消除低频及高频噪声信号的目的。

自动增益控制电路将带通滤波电路消除低频及高频噪声后的信号进行放大增益，进一步保持接收端信号的稳定性。

将上述处理过后的波形信号的波峰值用平滑的曲线连接起来，得到一条有一定波动起伏的峰值曲线，数据表明，峰值曲线越平滑说明所测量的时间精确度越高，进一步通过峰值保持电路让原本有较大起伏的波形信号峰值曲线尽量趋于平滑。

电压比较电路将最终所收集的信号幅值与给定幅值进行比较，测量出发射端高频脉冲信号与接收端信号之间的时间差，并将数据送入测量计时芯片和单片机完成数据计算处理。

如图3所示，单片机外接流量显示模块，选用JLX12864点阵液晶显示屏，将测量所得到的数据通过显示屏输出，直观方便；数值键入模块，可以进行测量系统初始化数值的输入设置；电源供电模块为整个测量系统提供电源，选用AMS1117-3.3低压差线性稳压器将5V电压稳定在3.3V提供给系统芯片，确保输入电压的稳定和整个测量系统的稳定工作。

如图4所示，MAX35104测量计时芯片属于高精度集成芯片，内部集成了PGM偏移比较器、算数逻辑单元ALU、时间数字转换单元、高压脉冲放大器、电压调节器等电路，通过4线SPI外部串行接口与单片机芯片SPI串行接口相连，大大简化了系统外部电路结构，降低了系统功耗，提高了系统的测量精度。

如图5所示，STM32F103单片机芯片具有64个引脚及多重引脚复用功能，分别与外部设备相连，实现系统的控制。

Claims (9)

1.一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，换能器采用Z型安装方式。

第一换能器和第二换能器分别连接到两个二选一电子模拟开关上的输入端和输出端上，通过二选一电子开关的选择，并将得到的信号经过一系列电路信号处理，完成超声波在管道流体中顺逆流两个方向上的时间测量，进一步实现高精度超声波气体流量的测量。超声波流量计测量的整个过程主要涉及到测量计时芯片、超声波发射电路、超声波换能器、模拟开关、超声波接收电路、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、峰值保持电路、电压比较电路、单片机芯片、流量显示模块、数值键入模块和电源供电模块。

2.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波换能器为发射与接收一体化的结构，包括测量计时芯片、超声波发射电路、超声波换能器和超声波接收电路。

超声波发射电路通过单片机控制测量计时芯片发出指令，输出超声波高频脉冲信号，该超声波脉冲信号属于超声波换能器的共振频率，接收端超声波换能器接收到来自超声波发射端的超声波信号，并进一步实现信号转换。

3.如权利要求2所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波发射电路模块包括脉冲发射电路、升压电路。

4.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述模拟开关通过二选一电子开关的选择，将第一换能器与第二换能器分别作为发射端和接收端，在顺逆流两个方向发射和接收超声波信号。

5.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述前置放大电路为两级放大电路，将接收的初始微弱信号进行放大。

6.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述带通滤波电路对通过放大电路之后的放大信号实行带通滤波，其作用是为了消除低频及高频噪声信号。

7.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述自动增益控制电路保持接收端电压的稳定性；峰值保持电路采集超声波接收端信号，将接收到的超声波信号的大小固定在某一个固定值，并进一步将采集的信号发送给单片机处理；电压比较电路将所收集的信号幅值与给定幅值进行比较，将比较结果发送给单片机。

8.如权利要求2所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述单片机为STM32系列单片机芯片，控制超声波发射电路的信号发射、键盘数值的输入和流量数据的显示。

9.如权利要求1所述的一种非接触式的时差法高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述电源供电模块为整个超声波气体流量测量系统各部分模块单位提供稳定的电源。