CN110146135A - 一种超声波水表流量测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波水表流量测量电路及测量方法，所述测量方法首先采用精计时的方式直接测量顺流传播时间和逆流传播时间的时间差值，其误差与流速的测量误差近似，且由于同时测量顺流和逆流，时间基准受环境温度、电压、电磁干扰等因素影响显著减小，然后再采用两次测量时间差值后取平均值的方式得到精确时间差值dT，并用于对超声波水表流量的计算，能够有效抵消电压比较器个体差异的影响，解决了现有的超声波水表流量测量技术测量精度较低的问题，实现了超声波水表流量的精确测量。

Description

一种超声波水表流量测量电路及测量方法

技术领域

本发明属于超声波换能器测量技术领域，具体涉及一种超声波水表流量测量电路及测量方法的设计。

背景技术

超声波水表通常采用时间差原理，由电子电路组成，与机械式水表相比较具有精度高、量程宽、使用寿命长、无活动部件、安装角度不受限等优点。时间差原理是利用超声波在水中顺流传播时间和逆流传播时间的时间差值来计算水流速，对于常用的超声波水表，在忽略高阶小量后，时间差值与流量为正比例关系，而水中声速与水温有固定关系，可通过测量水温后查表确定，其他各参数在任一具体水表中基本固定，受环境影响的变化造成流量误差可以忽略，因此测量的关键在于准确测量时间差值。

通常超声波水表流量测量电路由集成电路实现，其中包括控制和计时单元、发送驱动器、电压比较器、切换开关等，如ACAM公司的TDC-GP21、TDC-GP22等集成电路，其顺流传播时间和逆流传播时间是分别测量的，而在实际应用中，水流速不到水中声速的百分之一，故水流速的测量误差是时间测量误差的百倍以上，对时间测量的精度要求很高，而测量电路的时间基准会受到环境温度、电压、电磁干扰等因素影响而波动，对超声波水表的测量精度带来不利影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的超声波水表流量测量电路对超声波水表的测量精度较低的问题，提出了一种超声波水表流量测量电路及测量方法。

本发明的技术方案为：一种超声波水表流量测量电路，包括控制和计时单元MO1、第一发送驱动器DR1、第二发送驱动器DR2、第一电压比较器CP1、第二电压比较器CP2、双刀双掷切换开关S1、第一超声波换能器Y1、第二超声波换能器Y2、第一超声波换能器匹配网络以及第二超声波换能器匹配网络。控制和计时单元MO1的信号输出端分别与第一发送驱动器DR1的输入端以及第二发送驱动器DR2的输入端连接，第一发送驱动器DR1的输出端通过第一超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端、第四不动端以及第一超声波换能器Y1连接，第二发送驱动器DR2的输出端通过第二超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端、第三不动端以及第二超声波换能器Y2连接。第一电压比较器CP1的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第一动端连接，第二电压比较器CP2的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第二动端连接，第一电压比较器CP1的第二输入端和第二电压比较器CP2的第二输入端均与参考电压Vref连接，第一电压比较器CP1的输出端和第二电压比较器CP2的输出端均与控制和计时单元MO1的信号输入端连接。

进一步地，第一超声波换能器匹配网络包括电阻R1和电容C1，电阻R1的一端与第一发送驱动器DR1的输出端连接，其另一端分别与电容C1的一端以及第一超声波换能器Y1的一端连接，电容C1的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端和第四不动端连接，第一超声波换能器Y1的另一端接地。第二超声波换能器匹配网络包括电阻R2和电容C2，电阻R2的一端与第二发送驱动器DR2的输出端连接，其另一端分别与电容C2的一端以及第二超声波换能器Y2的一端连接，电容C2的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端和第三不动端连接，第二超声波换能器Y2的另一端接地。

进一步地，控制和计时单元MO1的信号输入端还与温度传感器Rt连接，温度传感器Rt设置与水中，用于提供水温数据。

进一步地，参考电压Vref为-40mV～40mV。

本发明还提供了一种超声波水表流量测量方法，包括以下步骤：

S1、以固定间隔时间定时开启控制和计时单元MO1的一个测量周期，并分别向第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2发送激励信号。

S2、第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2根据激励信号，分别通过第一超声波换能器匹配网络和第二超声波换能器匹配网络同时驱动第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2发送超声波。

S3、停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

S4、经时间段T1后，重新开启控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

S5、经窗口时间段T2后，再次停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

S6、将时间段T1和T2内第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2产生的电信号通过第一超声波换能器匹配网络、第二超声波换能器匹配网络以及双刀双掷切换开关S1传输至第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2分别进行电压检测，得到第一信号电压和第二信号电压。

S7、当第一信号电压或第二信号电压达到参考电压Vref时，对应的第一电压比较器CP1或第二电压比较器CP2状态翻转，并输出信号至控制和计时单元MO1，标记第一电压比较器CP1的翻转时刻为t1，第二电压比较器CP2的翻转时刻为t2。

S8、当翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的任意一个时刻先到达时，使控制和计时单元MO1停止粗计时并开启精计时，直到翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的另一时刻到达时，停止精计时，完成对翻转时刻t1和翻转时刻t2的精确测量，并得到超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1。

S9、将双刀双掷切换开关S1的两个动端切换至另一边，重复步骤S1～S8，得到另一组超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT2。

S10、将时间差值dT1和时间差值dT2的平均值作为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的精确时间差值dT。

S11、根据精确时间差值dT计算得到超声波水表流量q。

进一步地，步骤S4中的时间段T1为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最小传播时间。

进一步地，步骤S5中的窗口时间段T2为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最大传播时间和最小传播时间之差。

进一步地，步骤S7中的参考电压Vref为-40mV～40mV。

进一步地，步骤S8中超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1为翻转时刻t1和翻转时刻t2的差值。

进一步地，步骤S11中超声波水表流量q的计算公式为：

其中K为常数，A为测量管道截面积，L为沿着测量管道方向的声路长度，c为水中声速。

本发明的有益效果是：本发明首先采用精计时的方式直接测量顺流传播时间和逆流传播时间的时间差值，其误差与流速的测量误差近似，且由于同时测量顺流和逆流，时间基准受环境温度、电压、电磁干扰等因素影响显著减小，然后再采用两次测量时间差值后取平均值的方式得到精确时间差值dT，并用于对超声波水表流量的计算，能够有效抵消电压比较器个体差异的影响，解决了现有的超声波水表流量测量技术测量精度较低的问题，实现了超声波水表流量的精确测量。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种超声波水表流量测量电路示意图。

图2所示为本发明实施例二提供的一种超声波水表流量测量方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例一：

本发明实施例提供了一种超声波水表流量测量电路，如图1所示，包括控制和计时单元MO1、第一发送驱动器DR1、第二发送驱动器DR2、第一电压比较器CP1、第二电压比较器CP2、双刀双掷切换开关S1、第一超声波换能器Y1、第二超声波换能器Y2、第一超声波换能器匹配网络以及第二超声波换能器匹配网络。

控制和计时单元MO1的信号输出端分别与第一发送驱动器DR1的输入端以及第二发送驱动器DR2的输入端连接，第一发送驱动器DR1的输出端通过第一超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端、第四不动端以及第一超声波换能器Y1连接，第二发送驱动器DR2的输出端通过第二超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端、第三不动端以及第二超声波换能器Y2连接。第一电压比较器CP1的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第一动端连接，第二电压比较器CP2的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第二动端连接，第一电压比较器CP1的第二输入端和第二电压比较器CP2的第二输入端均与参考电压Vref连接，第一电压比较器CP1的输出端和第二电压比较器CP2的输出端均与控制和计时单元MO1的信号输入端连接。本发明实施例中，参考电压Vref为-40mV～40mV。本发明实施例中，控制和计时单元MO1、两个发送驱动器、两个电压比较器以及双刀双掷切换开关S1共同集成在一片集成电路中。

其中，第一超声波换能器匹配网络包括电阻R1和电容C1，电阻R1的一端与第一发送驱动器DR1的输出端连接，其另一端分别与电容C1的一端以及第一超声波换能器Y1的一端连接，电容C1的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端和第四不动端连接，第一超声波换能器Y1的另一端接地。第二超声波换能器匹配网络包括电阻R2和电容C2，电阻R2的一端与第二发送驱动器DR2的输出端连接，其另一端分别与电容C2的一端以及第二超声波换能器Y2的一端连接，电容C2的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端和第三不动端连接，第二超声波换能器Y2的另一端接地。

如图1所示，双刀双掷切换开关S1的第一动端、第一不动端和第二不动端共同构成一个单刀双掷开关，双刀双掷切换开关S1的第二动端、第三不动端和第四不动端共同构成另一个单刀双掷开关。

控制和计时单元MO1的信号输入端还与温度传感器Rt连接，温度传感器Rt设置与水中，用于提供水温数据，进而查表得到水中声速，用于后续对超声波水表流量的计算。

本发明实施例提供的超声波水表流量测量电路的工作原理及过程如下：控制和计时单元MO1的信号输出端分别与第一发送驱动器DR1的输入端以及第二发送驱动器DR2的输入端连接，并向两者发送激励信号，第一发送驱动器DR1的输入端和第二发送驱动器DR2的输入端接收到激励信号后，通过第一超声波换能器匹配网络和第二超声波换能器匹配网络同时驱动第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2，完成超声波的发送。超声波从发送端(Y1/Y2)到达接收端(Y2/Y1)，并转化为电信号后，经第一超声波换能器匹配网络、第二超声波换能器匹配网络和双刀双掷切换开关S1传输至第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2分别进行电压检测，并送入控制和计时单元MO1进行时间测量，通过测量得到的顺流传播时间和逆流传播时间的时间差值即可计算得到超声波水表流量。

实施例二：

本发明实施例提供了一种超声波水表流量测量方法，如图2所示，包括以下步骤S1～S11：

S1、以固定间隔时间定时开启控制和计时单元MO1的一个测量周期，并分别向第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2发送激励信号。本发明实施例中，固定间隔时间在超声波水表应用中通常为0.1s到1s，由以石英振荡器为基准的计时器控制。

S2、第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2根据激励信号，分别通过第一超声波换能器匹配网络和第二超声波换能器匹配网络同时驱动第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2发送超声波。

S3、停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

S4、经时间段T1后，重新开启控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

其中，时间段T1为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最小传播时间。

S5、经窗口时间段T2后，再次停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应。

其中，窗口时间段T2为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最大传播时间和最小传播时间之差。

时间段T1和时间段T2均由粗计时确定，本发明实施例中，粗计时的时间基准由石英晶体振荡器提供，分辨率为250ns。

S6、将时间段T1和T2内第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2产生的电信号通过第一超声波换能器匹配网络、第二超声波换能器匹配网络以及双刀双掷切换开关S1传输至第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2分别进行电压检测，得到第一信号电压和第二信号电压。

S7、当第一信号电压或第二信号电压达到参考电压Vref时(本发明实施例中参考电压Vref根据实际水表设计为-40mV～40mV)，对应的第一电压比较器CP1或第二电压比较器CP2状态翻转，并输出信号至控制和计时单元MO1，标记第一电压比较器CP1的翻转时刻为t1，第二电压比较器CP2的翻转时刻为t2。

S8、当翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的任意一个时刻先到达时，使控制和计时单元MO1停止粗计时并开启精计时，直到翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的另一时刻到达时，停止精计时，完成对翻转时刻t1和翻转时刻t2的精确测量，并得到超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1。

本发明实施例中，超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1即为翻转时刻t1和翻转时刻t2的差值，即dT1＝t2-t1。精计时的时间基准由门电路延时时间提供，分辨率为23ps。

S9、将双刀双掷切换开关S1的两个动端切换至另一边，重复步骤S1～S8，得到另一组超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT2。

S10、将时间差值dT1和时间差值dT2的平均值作为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的精确时间差值dT，即dT＝(dT1+dT2)/2。

S11、根据精确时间差值dT计算得到超声波水表流量q，计算公式为：

其中K为常数，A为测量管道截面积，L为沿着测量管道方向的声路长度，c为水中声速。本发明实施例中，K、A、L可认为不变，在超声波水表设计时确定粗略值，在超声波水表校验时确定精确值，c为水中声速，在一定间隔时间由温度传感器Rt测量得到水温，再由控制和计时单元MO1查表得到。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波水表流量测量电路，其特征在于，包括控制和计时单元MO1、第一发送驱动器DR1、第二发送驱动器DR2、第一电压比较器CP1、第二电压比较器CP2、双刀双掷切换开关S1、第一超声波换能器Y1、第二超声波换能器Y2、第一超声波换能器匹配网络以及第二超声波换能器匹配网络；

所述控制和计时单元MO1的信号输出端分别与第一发送驱动器DR1的输入端以及第二发送驱动器DR2的输入端连接，所述第一发送驱动器DR1的输出端通过第一超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端、第四不动端以及第一超声波换能器Y1连接，所述第二发送驱动器DR2的输出端通过第二超声波换能器匹配网络分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端、第三不动端以及第二超声波换能器Y2连接；

所述第一电压比较器CP1的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第一动端连接，所述第二电压比较器CP2的第一输入端与双刀双掷切换开关S1的第二动端连接，所述第一电压比较器CP1的第二输入端和第二电压比较器CP2的第二输入端均与参考电压Vref连接，所述第一电压比较器CP1的输出端和第二电压比较器CP2的输出端均与控制和计时单元MO1的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的超声波水表流量测量电路，其特征在于，所述第一超声波换能器匹配网络包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1的一端与第一发送驱动器DR1的输出端连接，其另一端分别与电容C1的一端以及第一超声波换能器Y1的一端连接，所述电容C1的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第一不动端和第四不动端连接，所述第一超声波换能器Y1的另一端接地；

所述第二超声波换能器匹配网络包括电阻R2和电容C2，所述电阻R2的一端与第二发送驱动器DR2的输出端连接，其另一端分别与电容C2的一端以及第二超声波换能器Y2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与双刀双掷切换开关S1的第二不动端和第三不动端连接，所述第二超声波换能器Y2的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的超声波水表流量测量电路，其特征在于，所述控制和计时单元MO1的信号输入端还与温度传感器Rt连接，所述温度传感器Rt设置与水中，用于提供水温数据。

4.根据权利要求1所述的超声波水表流量测量电路，其特征在于，所述参考电压Vref为-40mV～40mV。

5.一种超声波水表流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以固定间隔时间定时开启控制和计时单元MO1的一个测量周期，并分别向第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2发送激励信号；

S2、第一发送驱动器DR1和第二发送驱动器DR2根据激励信号，分别通过第一超声波换能器匹配网络和第二超声波换能器匹配网络同时驱动第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2发送超声波；

S3、停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应；

S4、经时间段T1后，重新开启控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应；

S5、经窗口时间段T2后，再次停止控制和计时单元MO1对第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2的输出信号的响应；

S6、将时间段T1和T2内第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2产生的电信号通过第一超声波换能器匹配网络、第二超声波换能器匹配网络以及双刀双掷切换开关S1传输至第一电压比较器CP1和第二电压比较器CP2分别进行电压检测，得到第一信号电压和第二信号电压；

S7、当第一信号电压或第二信号电压达到参考电压Vref时，对应的第一电压比较器CP1或第二电压比较器CP2状态翻转，并输出信号至控制和计时单元MO1，标记第一电压比较器CP1的翻转时刻为t1，第二电压比较器CP2的翻转时刻为t2；

S8、当翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的任意一个时刻先到达时，使控制和计时单元MO1停止粗计时并开启精计时，直到翻转时刻t1和翻转时刻t2之中的另一时刻到达时，停止精计时，完成对翻转时刻t1和翻转时刻t2的精确测量，并得到超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1；

S9、将双刀双掷切换开关S1的两个动端切换至另一边，重复步骤S1～S8，得到另一组超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT2；

S10、将时间差值dT1和时间差值dT2的平均值作为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的精确时间差值dT；

S11、根据精确时间差值dT计算得到超声波水表流量q。

6.根据权利要求5所述的超声波水表流量测量方法，其特征在于，所述步骤S4中的时间段T1为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最小传播时间。

7.根据权利要求5所述的超声波水表流量测量方法，其特征在于，所述步骤S5中的窗口时间段T2为超声波在第一超声波换能器Y1和第二超声波换能器Y2之间的最大传播时间和最小传播时间之差。

8.根据权利要求5所述的超声波水表流量测量方法，其特征在于，所述步骤S7中的参考电压Vref为-40mV～40mV。

9.根据权利要求5所述的超声波水表流量测量方法，其特征在于，所述步骤S8中超声波顺流传播时间和逆流传播时间的差值dT1为翻转时刻t1和翻转时刻t2的差值。

10.根据权利要求5所述的超声波水表流量测量方法，其特征在于，所述步骤S11中超声波水表流量q的计算公式为：

其中K为常数，A为测量管道截面积，L为沿着测量管道方向的声路长度，c为水中声速。