CN109612541B - 一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，包括：超声波接收换能器，用于接收超声波信号；可控增益放大电路与超声波接收换能器相连接；模数转换电路，与可控增益放大电路相连接；双阈值检测电路，与可控增益放大电路相连接；峰值保持电路，与可控增益放大电路相连接；程控多阈值比较电路，与峰值保持电路相连接；选波电路，分别与双阈值检测电路和程控多阈值比较电路相连接；计时电路，与选波电路相连接。本发明可以直接消除通过阈值检测法对超声波信号的渡越时间进行测量时存在的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及流量检测技术领域，特别是涉及一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路。
背景技术
目前，气体超声波流量计具有量程比大、测量精度高、无压损等诸多优点，特别是在大口径天然气流量测量方面，具备独特的优势。气体超声波流量计的测量原理分为传播速度差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法效果好，在气体超声波流量计中应用最为广泛。基于时差法测量原理的气体超声波流量计在测量气体流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点(如波形信号某周期的过零点、峰值点或特定的某一相位点)，确定超声波信号的顺流、逆流传播时间，进而计算气体流量。
在超声波流量计进行流量测量过程中，影响测量精度的最主要因素是：超声波在管道中传播的顺流、逆流渡越时间的测量精度。目前，常用的渡越时间测量方法主要有两种：阈值检测法和互相关法。其中，互相关法运算数据量庞大，难以做到低功耗与实时性兼得，目前常用的方法仍是阈值检测法。
阈值检测法的检测原理是由固定的阈值电压与接收信号相比较，将超声波接收信号转换为方波信号，从而通过对方波信号进行时间测量而得到超声波的渡越时间。但是，超声波信号在气体介质中传播能量衰减严重，回波信号存在幅值微弱、信噪比低和易受干扰等问题，随着流量增大，这些问题非常严重。当信号由于干扰造成信号衰减或增大时，很可能造成对应接收信号比较波形超出阈值电压的检测范围，即表现为错波现象，如图1所示。
因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以直接消除通过阈值检测法对超声波信号的渡越时间进行测量时存在的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，其可以直接消除通过阈值检测法对超声波信号的渡越时间进行测量时存在的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，包括：
超声波接收换能器，用于接收超声波信号，然后发送给可控增益放大电路；
可控增益放大电路、与超声波接收换能器相连接，用于对所述超声波接收换能器发来的超声波信号进行放大处理后，再同时发送给模数转换电路、双阈值检测电路和峰值保持电路；
模数转换电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为对应的数字信号，然后发送给中央控制单元；
双阈值检测电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为方波信号，然后输出给选波电路；
峰值保持电路，与可控增益放大电路相连接，用于锁定超声波信号的峰值，然后输出超声波信号给程控多阈值比较电路；
程控多阈值比较电路，与峰值保持电路相连接，用于接收峰值保持电路传送的、锁定峰值的超声波信号，然后输出控制信号，对选波电路进行控制；
选波电路，分别与双阈值检测电路和程控多阈值比较电路相连接，用于根据程控多阈值比较电路传输过来的方波信号，来选择双阈值检测电路所输出的方波信号，从而消除错波现象的影响，最终向计时电路输出已消除错波影响的方波信号；
计时电路，与选波电路相连接，用于根据所述选波电路发来的已消除错波影响的方波信号，转换为对应的时间值，并将该时间值作为超声波信号的渡越时间值。
其中，所述双阈值检测电路包括比较器U1、U5和U8，用于输入可控增益放大电路放大后的超声波信号的输入信号端S_IN，分别连接比较器U1、U5、U8的同相端和二极管D1的正极；
比较器U1的反相端接电源电压VCC的1/2，即VCC/2；
比较器U5的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V1；
比较器U8的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V2；
比较器U1和U5的输出端接二输入与门U2的输入端；
比较器U1和U8的输出端接二输入与门U6的输入端。
其中，所述选波电路包括二输入与门U2和二输入与门U6，二输入与门U2的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的8脚；
二输入与门U6的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的8脚；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的1、2、14脚，分别接电源VCC；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的7脚接地；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的13脚接二输入与门U7的输入引脚1；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的12脚接二输入与门U9的输入引脚1；
二输入与门U7的输出端和二输入与门U9的输出端，以及八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的13脚，分别接三输入与门U10A的三个输入端；
三输入与门U10A的输出端即为信号输出端S_OUT。
其中，所述峰值保持电路包括电容C1；
二极管D1的负极分别接电容C1的一端、电阻R1一端、比较器U11的同相端和比较器U13的同相端；
电容C1的另一端接地；
电阻R1的另一端接二极管D2的正极；
二极管的D2负极接中央控制单元的IO口。
其中，所述程控多阈值比较电路包括比较器U11；
比较器U11的反相端接中央控制单元控制的电压V3；
比较器U13的反相端接中央控制单元控制的电压V4；
比较器U11的输出端接二输入与门U7的输入引脚2和二输入与门U12的输入引脚1；
比较器U13的输出端接U12的输入引脚2；
二输入与门U12的输出端接非门U14A的输入引脚1；
非门U14A的输出端接二输入与门U9的输入引脚2。
其中，所述中央控制单元为可编程控制器PLC、中央处理器、数字信号处理器DSP或者单片机MCU。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，其可以直接消除通过阈值检测法对超声波信号的渡越时间进行测量时存在的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的气体超声波流量计的防错波信号处理电路，采用纯硬件电路实现，测量过程中无需CPU控制与运算，减少了CPU的运算量，有利于进一步降低测量系统功耗，提供其实时性。本发明可以应用于液体或气体超声波流量计，尤其适用于气体流量测量。
附图说明
图1为现有的超声波接收信号存在的阈值错波现象的示意图；
图2为本发明提供的一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路的硬件原理框图；
图3为本发明提供的一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路的电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图2、图3，本发明提供了一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，包括超声波接收换能器、可控增益放大电路、双阈值检测电路、模数(AD)转换电路、峰值保持电路、程控多阈值比较电路、选波电路和计时电路，其中：
超声波接收换能器，用于接收超声波信号，然后发送给可控增益放大电路；
可控增益放大电路、与超声波接收换能器相连接，用于对所述超声波接收换能器发来的超声波信号进行放大处理后，再同时发送给模数(AD)转换电路、双阈值检测电路和峰值保持电路；
模数(AD)转换电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为对应的数字信号(即数字量信号)，然后发送给中央控制单元(即CPU)；
双阈值检测电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为方波信号，然后输出给选波电路；
峰值保持电路，与可控增益放大电路相连接，用于锁定超声波信号的峰值，然后输出超声波信号给程控多阈值比较电路；
程控多阈值比较电路，与峰值保持电路相连接，用于接收峰值保持电路传送的、锁定峰值的超声波信号，然后输出控制信号，对选波电路进行控制；
选波电路，分别与双阈值检测电路和程控多阈值比较电路相连接，用于根据程控多阈值比较电路传输过来的方波信号，来选择双阈值检测电路所输出的方波信号，从而消除错波现象的影响，最终向计时电路输出已消除错波影响的方波信号；
计时电路，与选波电路相连接，用于根据所述选波电路发来的已消除错波影响的方波信号，转换为对应的时间值，并将该时间值作为超声波信号的渡越时间值。
在本发明中，具体实现上，中央控制单元可以为可编程控制器PLC、中央处理器、数字信号处理器DSP或者单片机MCU。为仪器的低功耗设计考虑，例如，可以采用德州仪器TI公司生产的MSP430系列单片机。
在本发明中，具体实现上，图3所示为防错波信号处理电路的电路原理图，包括了图2框图中的双阈值检测电路、峰值保持电路、程控多阈值比较电路和选波电路，此电路的输入为可控增益放大电路放大后的超声波信号，输出为消除错波影响的方波信号，可直接进入计时电路进行计时。
参见图3所示，所述双阈值检测电路包括比较器U1、U5和U8，用于输入可控增益放大电路放大后的超声波信号的输入信号端S_IN，分别连接比较器U1、U5、U8的同相端和二极管D1的正极；
比较器U1的反相端接电源电压VCC的1/2，即VCC/2；
比较器U5的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V1；
比较器U8的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V2；
比较器U1和U5的输出端接二输入与门U2的输入端；
比较器U1和U8的输出端接二输入与门U6的输入端；
以上这些元器件，构成了双阈值检测电路。
在本发明中，所述选波电路包括二输入与门U2和二输入与门U6，二输入与门U2的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的8脚；
二输入与门U6的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的8脚；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的1、2、14脚，分别接电源VCC；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的7脚接地(GND)；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的13脚接二输入与门U7的输入引脚1；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的12脚接二输入与门U9的输入引脚1；
二输入与门U7的输出端和二输入与门U9的输出端，以及八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的13脚，分别接三输入与门U10A的三个输入端(即三个输入引脚)；
三输入与门U10A的输出端即为信号输出端S_OUT，此输出端的输出信号为消除错波干扰的脉冲信号，此部分构成选波电路；
具体实现上，八位边沿触发式移位寄存器芯片U3、U4芯片可以选用M74HC164芯片。
在本发明中，所述峰值保持电路包括电容C1；
二极管D1的负极分别接电容C1的一端、电阻R1一端、比较器U11的同相端和比较器U13的同相端；
电容C1的另一端接地(接GND)；
电阻R1的另一端接二极管D2的正极；
二极管的D2负极接中央控制单元(CPU)的IO口，因此构成峰值保持电路；
在本发明中，所述程控多阈值比较电路包括比较器U11；
比较器U11的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V3；
比较器U13的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V4；
比较器U11的输出端接二输入与门U7的输入引脚2和二输入与门U12输入的一端(具体为输入引脚1)；
比较器U13的输出端接U12的输入引脚2；
二输入与门U12的输出端接非门U14A的输入端(即输入引脚1)；
非门U14A的输出端接二输入与门U9的输入引脚2，此部分电路构成程控多阈值比较电路。
需要说明的是，对于本发明，双阈值检测电路部分，用到三个比较器，其中一个为VCC/2电压比较，另外两个为CPU控制的电压V1、V2，实现了两路阈值的阈值——过零比较电路。而V1、V2由CPU在出厂前设定好，要求两路电压V1较V2稍高，一般取值为20mV，保证正常信号通过时两电压均可正常检测信号。程控多阈值比较电路的比较电压V3、V4由CPU在出厂前设定好，其设定标准为两阈值电压V1、V2出现错波现象临界时的信号峰值。
在本发明中，可控增益放大电路是指可以由CPU控制放大增益的电路，通常由专用的程控放大器芯片或数字电位器与通用运算放大器芯片组成，其目的是通过CPU控制实现信号幅值的智能调节，保证经过可控增益电路调节后的信号幅值在一定范围之内，常见的程控放大器芯片有亚德诺半导体技术ADI公司生产的LTC6602、LTC6603等芯片，常见的数字电位器有亚德诺半导体技术ADI公司生产的AD5245、AD5121等芯片。
具体实现上，计时电路通常采用专用高精度的时间数字转换器芯片，常见芯片有德国acam公司生产的TDC_GP21、TDC_GP22等芯片。
具体实现上，模数(AD)转换电路，通常采用CPU内部的AD转换模块或连接外部的AD转换芯片，如MSP430系列的单片机MSP430F249内部具有的8路AD转换模块，对应芯片管脚P6.0～P6.7；或者为AD转换芯片，常见有亚德诺半导体技术ADI公司生产的AD4006、AD4010等芯片。
在本发明中，对于气体超声波流量计，其中央控制单元CPU通常用可编程控制器PLC、中央处理器、数字信号处理器DSP或者单片机MCU实现，例如，意法半导体公司的STM32系列芯片或TI公司的MSP430系列芯片等。
其中，CPU的控制用IO端口，可应用CPU中具有输出高低电平功能的普通IO输出端口即可，如TI公司的MSP430F249芯片的P1～P6中的所有端口都可以应用。
需要说明的是，具体实现上，中央控制单元(CPU)设置的V1、V2、V3、V4通常由CPU的普通IO端口控制电子模拟开关切换电压，或普通IO端口控制DA转换芯片实现。其中，常见的电子模拟开关有TI公司的74HC4066等芯片，常见DA转换芯片有ADI公司的AD5766、AD5767等芯片。
具体实现上，V1、V2、V3、V4电压值的设置，V1、V2由CPU在出厂前设定好，要求两路电压V1较V2稍高，一般取值为20mV，保证正常信号通过时，两电压均可正常检测信号；程控多阈值比较电路的比较电压V3、V4由CPU在出厂前设定好，其设定标准为两阈值电压V1、V2出现错波现象临界时的信号最大峰值。V1、V2两电压是双阈值检测电路的比较电压，由于模拟比较电路在应用过程中，会遇到信号的某波形峰值处于V1或V2比较电压较为接近的电压值，此时由于信号AD转换的精度限制，可能误判断此波形通过比较器后是否有翻转，因此设置V1较V2稍高20mV，来避免噪声干扰或AD精度限制造成的误差；V3、V4分别是电压V1和V2出现错波临界情况时，对应信号的最大峰值，通过测量时信号的最大峰值与电压V3、V4的比较，可以确定是否出现错波情况，从而从双阈值检测电路的输出脉冲之中选择到正确的信号，实现防错波功能。
在本发明中，双阈值检测电路即指的是V1、V2两电压与测量信号的比较电路，其目的是通过阈值电压的比较将纺锤型正弦波测量信号(信号形状如图1所示)转换为方波脉冲信号，方便后面的计时电路测量信号的到达时间，由于模拟比较电路在应用过程中，会遇到信号的某波形峰值处于V1或V2比较电压较为接近的电压值，此时由于信号AD转换的精度限制，可能误判断此波形通过比较器后是否有翻转，因此设置V1较V2稍高20mV，来避免噪声干扰或AD精度限制造成的误差。
具体实现上，峰值保持电路是为了测量得到纺锤型正弦波测量信号的最大峰值，并保持到电容上，用来与电压V3、V4在程控多阈值比较电路中做比较应用。
具体实现上，程控多阈值比较电路是利用预设信号波形在采用V1、V2比较电压做阈值比较出现临界时的最大峰值为电压V3、V4，通过测量信号与预设的V3、V4进行比较输出，来确定信号在V1或V2阈值比较时，是否出现错波情况。
具体实现上，由于双阈值检测电路输出的方波脉冲信号可能包含有出现错波后的信号，而程控多阈值比较电路可以确定信号是否出现错波情况，因此，选波电路通过移位寄存器芯片，将双阈值检测电路的输出脉冲逐位分离，作为待选的脉冲波形起始信号输入到与门，再通过程控多阈值比较电路的输出，来作为与门的另一输入信号，来确定选择哪一个移位寄存器输出信号作为脉冲波形起始信号，最后由选定的脉冲波形起始信号再通过与门与阈值比较电路的输出脉冲信号做与运算，得到没有错波现象的方波脉冲波形，输送入计时电路进行处理。
需要说明的是，超声波信号在进入双阈值检测电路后的输出，可能出现错波现象，但是出现错波时，其信号峰值必然会降低，因此程控阈值比较电路通过检测峰值，来保持电路记录的峰值，输出选波信号；选波电路通过八位边沿触发式移位寄存器，可获得双阈值检测电路输出的各个周期的方波，通过选波信号，可以确保输出正确的波形，从而消除错波现象的影响。
因此，基于以上技术方案可知，本发明提供了一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，可以直接消除阈值检测法的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性；另外此电路采用纯硬件电路实现，测量过程中无需CPU控制与运算，减少了CPU的运算量，有利于进一步降低测量系统功耗，提供其实时性。本发明专利的技术方案，可以应用于液体或气体超声波流量计，尤其适用于气体流量测量。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，其可以直接消除通过阈值检测法对超声波信号的渡越时间进行测量时存在的错波干扰，有效地提高了计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的气体超声波流量计的防错波信号处理电路，采用纯硬件电路实现，测量过程中无需CPU控制与运算，减少了CPU的运算量，有利于进一步降低测量系统功耗，提供其实时性。本发明可以应用于液体或气体超声波流量计，尤其适用于气体流量测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路，其特征在于，包括：
超声波接收换能器，用于接收超声波信号，然后发送给可控增益放大电路；
可控增益放大电路、与超声波接收换能器相连接，用于对所述超声波接收换能器发来的超声波信号进行放大处理后，再同时发送给模数转换电路、双阈值检测电路和峰值保持电路；
模数转换电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为对应的数字信号，然后发送给中央控制单元；
双阈值检测电路，与可控增益放大电路相连接，用于将所述可控增益放大电路发来的经过放大处理的超声波信号，转换为方波信号，然后输出给选波电路；
峰值保持电路，与可控增益放大电路相连接，用于锁定超声波信号的峰值，然后输出超声波信号给程控多阈值比较电路；
程控多阈值比较电路，与峰值保持电路相连接，用于接收峰值保持电路传送的、锁定峰值的超声波信号，然后输出控制信号，对选波电路进行控制；
选波电路，分别与双阈值检测电路和程控多阈值比较电路相连接，用于根据程控多阈值比较电路传输过来的方波信号，来选择双阈值检测电路所输出的方波信号，从而消除错波现象的影响，最终向计时电路输出已消除错波影响的方波信号；
计时电路，与选波电路相连接，用于根据所述选波电路发来的已消除错波影响的方波信号，转换为对应的时间值，并将该时间值作为超声波信号的渡越时间值；
其中，程控多阈值比较电路是利用预设信号波形在采用V1、V2比较电压做阈值比较出现临界时的最大峰值为电压V3、V4，通过测量信号与预设的V3、V4进行比较输出，来确定信号在V1或V2阈值比较时，是否出现错波情况；
V1和V2两电压是双阈值检测电路的比较电压；V3和V4分别是电压V1和V2出现错波临界情况时，对应信号的最大峰值。
2.如权利要求1所述的防错波信号处理电路，其特征在于，所述双阈值检测电路包括比较器U1、U5和U8，用于输入可控增益放大电路放大后的超声波信号的输入信号端S_IN，分别连接比较器U1、U5、U8的同相端和二极管D1的正极；
比较器U1的反相端接电源电压VCC的1/2，即VCC/2；
比较器U5的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V1；
比较器U8的反相端接中央控制单元(CPU)控制的电压V2；
比较器U1和U5的输出端接二输入与门U2的输入端；
比较器U1和U8的输出端接二输入与门U6的输入端。
3.如权利要求2所述的防错波信号处理电路，其特征在于，所述选波电路包括二输入与门U2和二输入与门U6，二输入与门U2的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的8脚；
二输入与门U6的输出端接八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的8脚；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的1、2、14脚，分别接电源VCC；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3和U4的7脚接地；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U4的13脚接二输入与门U7的输入引脚1；
八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的12脚接二输入与门U9的输入引脚1；
二输入与门U7的输出端和二输入与门U9的输出端，以及八位边沿触发式移位寄存器芯片U3的13脚，分别接三输入与门U10A的三个输入端；
三输入与门U10A的输出端即为信号输出端S_OUT。
4.如权利要求3所述的防错波信号处理电路，其特征在于，所述峰值保持电路包括电容C1；
二极管D1的负极分别接电容C1的一端、电阻R1一端、比较器U11的同相端和比较器U13的同相端；
电容C1的另一端接地；
电阻R1的另一端接二极管D2的正极；
二极管的D2负极接中央控制单元的IO口。
5.如权利要求4所述的防错波信号处理电路，其特征在于，所述程控多阈值比较电路包括比较器U11；
比较器U11的反相端接中央控制单元控制的电压V3；
比较器U13的反相端接中央控制单元控制的电压V4；
比较器U11的输出端接二输入与门U7的输入引脚2和二输入与门U12的输入引脚1；
比较器U13的输出端接U12的输入引脚2；
二输入与门U12的输出端接非门U14A的输入引脚1；
非门U14A的输出端接二输入与门U9的输入引脚2。
6.如权利要求1至5中任一项所述的防错波信号处理电路，其特征在于，所述中央控制单元为可编程控制器PLC、中央处理器、数字信号处理器DSP或者单片机MCU。
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