CN110346002A - 一种气体超声波流量计信号处理及转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体超声波流量计信号处理及转换电路，包括单电源放大器、门控信号产生电路、中位点比较器以及第二与门，用于触发门控信号的比较脉冲信号根据阈值比较电压确定，而阈值比较电压又根据气体流量计中气体压力确定，这样阈值比较电压与回波信号的幅值呈正相关性，从而起到幅度自适应的效果。相对于现有技术的两次激发、峰值检波，电路结构和控制相对简化。其次，采用第一单稳态触发器在触发信号触发情况下产生一定时间长度的延迟时间，在回波信号到来前关闭测量通道，避免了干扰信号进入测量通道造成不必要的影响，其三，本发明采用单电源放大器，电源中位点电压即Vcc/2作为零点比较电压，不需要正负电源供电，降低了电路成本。

Description

一种气体超声波流量计信号处理及转换电路

技术领域

本发明属于超声波气体流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种气体超声波流量计信号处理及转换电路。

背景技术

超声波流量计是一种利用超声波在流体中传播时受流体流速影响而进行流速测量的仪表。当超声波沿顺流方向传播时，其传播速度相当于流体静止时的速度和流体流速的叠加，其沿传播方向的声速将大于流体静止时的声速，且其值与流体流速相关；当超声波沿逆流方向传播时情况相反。因此只要测量出超声波声速的变化值，就能够推算得出流体的流速，进而得到流量。该方法称为时差法，其原理示意图如图1所示。

设流体流速为V，管道直径为D，两换能器A、B的直线距离为L，换能器与管道法线的夹角为θ，超声波在静止的流体中的速度为C。一束超声脉冲经流体传播，其声程L＝D/cosθ。当超声波顺流时其速度为C+Vsinθ，从而有顺流的传播时间t_AB为：

t_AB＝L/(C+Vsinθ) (1)

逆流的传播时间t_BA为：

t_BA＝L/(C-Vsinθ) (2)

由式(1)、(2)及L＝D/cosθ推导计算出流体的流速V的表达式为：

V＝D(1/t_AB-1/t_BA)/sin2θ (3)

由上式可以看出，只要分别测出顺流，逆流的传播时间t_AB和t_BA即可得到流体的流速，进而得到流量。

对于相对安装在测量管两侧的换能器来说，其距离是固定的，因此只要精确获取超声波在它们之间传输的时间，就能获得其传播速度。为了确定传播的时间间隔，需要在接收的波形中选择固定的时刻点作为时间测量的停止时刻。在实践中均选择回波信号中第一个具有较强幅度的波达到某固定电平值即阈值电平的时刻作为时间测量的停止时刻，产生时间间隔测量停止信号，其示意图如图2所示。

精确测量接收的回波信号的到达时刻，对于流量测量至关重要。然而气体流量计中的超声波回波信号幅值随气体压力的增加而线性地增加，且变化的幅度较大。经实验发现，气体压力每增加100KPa,信号幅度约增加48mV。而现有流量测量芯片主要针对液体流量计设计，阈值变化幅度在30mV左右，不同回波信号幅度下对第一波信号无法精确定位，无法满足气体流量计在宽压力变化环境下的测量需要。

如图3所示，在2019年01月11日公布的、公布号为CN109186693A、名称为“一种自适应超声波的回波信号检测电路”中，提出了在主通道中，采用过零比较主通道信号，在辅助通道中，基于峰值检测出的电平作为比较电平，与正式接收的回波信号进行比较，产生第一脉冲串信号，触发单稳态触发器发生电平翻转，产生选通信号，选通信号在与门中对主通道信号进行选择，输出第二脉冲串信号，并触发计时模块停止计时，从而避免了主通道噪声脉冲对时间测量的影响；主通道采用过零比较器，解决脉冲串在四分之一周期内发生相位超前或滞后的问题。

然而，上述回波检测电路需要连续发射两个超声波信号，需要先进行峰值保存，然后正式进行比较，同时，由于是过零检测，比较器需要正负电源供电，电路和控制较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气体超声波流量计信号处理及转换电路，以简化电路和控制。

为实现上述发明目的，本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路，其特征在于，包括：

单电源放大器，用来实现对回波信号的放大，放大后的回波信号分为A路、B路两路信号，其中，A路输入到门控信号产生电路、B路输入到中位点比较器；

门控信号产生电路，包括数字电位计、阈值比较器、第一单稳态触发器、D触发器、第一与门、第二单稳态触发器；

数字电位计根据气体流量计中气体压力，产生大于Vcc/2的阈值比较电压，且气体压力越大，阈值比较电压就越高；在阈值比较器A路回波信号与阈值比较电压进行比较，输出比较脉冲信号；

第一单稳态触发器使前测量通道在回波信号到来前处于关闭状态，当触发信号到来时触发第一单稳态触发器输出低电平作为屏蔽信号，D触发器输出电平为0，当延迟时间(屏蔽时间)结束，第一单稳态触发器输出由低电平变为高电平(上升沿)使D触发器输出电平置为1，将测量通道打开(使第一与门一端为高电平)，阈值比较器输出的比较脉冲信号与D触发器输出电平在第一与门进行与运算，此时，阈值比较器输出的比较脉冲信号通过第一与门进入第二单稳态触发器；

比较脉冲信号第一个脉冲上升沿触发第二单稳态触发器输出高电平信号，一定时间后跳变为低电平，从而输出一定时间宽度的门控信号到第二与门；

中位点比较器，放大后的回波信号的0值对应电源电压Vcc的中位值Vcc/2，将中位点比较器的比较电平设置为Vcc/2，中位点比较器中B路回波信号与比较电平Vcc/2进行比较，输出过零比较信号到第二与门；

第二与门，对门控信号、过零脉冲信号进行与操作，得到时间测量电路所需的脉冲信号。

本发明的目的是这样实现的：

本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路包括单电源放大器、门控信号产生电路、中位点比较器以及第二与门，用于触发门控信号的比较脉冲信号是根据阈值比较电压确定，而阈值比较电压又根据气体流量计中气体压力确定，气体压力越大，阈值比较电压就越高，这样阈值比较电压与回波信号的幅值呈正相关性，从而起到幅度自适应的效果。相对于现有技术的两次激发、峰值检波，电路结构和控制相对简化。其次，采用第一单稳态触发器在触发信号触发情况下产生屏蔽信号，在回波信号到来前关闭测量通道，避免了干扰信号进入测量通道造成不必要的影响，其三，本发明采用单电源放大器，电源中位点电压即Vcc/2作为零点比较电压，不需要正负电源供电，降低了电路成本。

附图说明

图1是时差法测量气体流量工作原理示意图；

图2是时间间隔测量停止信号产生示意图；

图3是现有自适应超声波的回波信号检测电路的电路原理图；

图4是本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路一种具体实施方式电路原理框图；

图5是图4所示气体超声波流量计信号处理及转换电路各个测试点的时序图；

图6是图4所示气体超声波流量计信号处理及转换电路被封装在一个模块引脚图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路，该电路能够完成回波信号的放大整形、测量通道的屏蔽及打开、门控信号的获取等功能，最终得到时间测量电路所需的脉冲信号。通过本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路可以将接收到的回波信号转换成能够精确反映测量时刻的、为时间测量电路所使用的脉冲信号。

图4是本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路一种具体实施方式电路原理框图。

在本实施例中，如图4所示，本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路包括单电源放大器1、门控信号产生电路2、中位点比较器3以及第二与门4。

单电源放大器1用来实现对回波信号Sgin的放大，其放大倍数可通过外接的电阻元件进行设置。放大后的回波信号Sgout分为A路、B路两路信号，其中，A路输入到门控信号产生电路2，用来产生门控信号，B路输入到中位点比较器3，用于产生过零比较信号。

门控信号产生电路2又包括数字电位计201、阈值比较器202、第一单稳态触发器203、D触发器204、第一与门205、第二单稳态触发器206。

不同于液体流量计，气体流量计中的超声波回波信号幅值随气体压力的增加而线性地增加，且变化的幅度较大。经实验发现，气体压力每增加100KPa,信号幅度约增加48mV。而现有流量测量芯片主要针对液体流量计设计，阈值变化幅度在30mV左右，无法满足气体流量计在宽压力变化环境下的测量需要。

数字电位计201根据气体流量计中气体压力，产生大于Vcc/2的阈值比较电压Vcomp，且气体压力越大，阈值比较电压Vcomp就越高；在阈值比较器202A路回波信号与阈值比较电压Vcomp进行比较，输出比较脉冲信号，如图5所示。

这样数字电位计201可以产生较大变化幅度的阈值比较电压Vcomp，以适应气体流量计在不同压力环境下幅度变化较大的回波信号。该阈值比较电压Vcomp大于Vcc/2，可以将幅度较小的噪声信号屏蔽掉，只在幅度达到一定值的第一波到来时才给出有效输出。

在本实施例中，对第一波检测的阈值比较电压Vcomp由数字电位器经对电源电压的分压而产生，可以在较宽的范围内设定，满足了不同回波信号幅度下对第一波信号的精确定位，实际测量结果证明该方法灵活且稳定可靠，保证了实际测量的精度要求。

为了避免干扰信号进入测量通道造成不必要的影响，在回波信号Sgin到来前测量通道处于关闭状态，以防止偶然出现的超过比较阈值的干扰信号造成的误触发。该屏蔽时间由第一单稳态触发器203来实现，

第一单稳态触发器203使测量通道在回波信号Sgin到来前处于关闭状态。如图5所示，当触发信号到来时触发第一单稳态触发器203输出低电平作为屏蔽信号。在本实施例中，延迟时间由第一单稳态触发器203外接的电阻R1进行调节，延迟时间范围在100μs-300μs之间。此时，D触发器204输出电平为0，当延迟时间结束，意味着回波信号即将到来，此时将测量通道打开，第一单稳态触发器203输出由低电平变为高电平(上升沿)使D触发器204输出电平置为1，将测量通道打开(使第一与门205一端为高电平)，阈值比较器202输出的比较脉冲信号与D触发器204输出电平在第一与门205进行与运算，此时，阈值比较器202输出的比较脉冲信号通过第一与门205(如图5所示的第一与门的输出)进入第二单稳态触发器206。

但该比较脉冲信号不适合作为时间测量的停止信号，因为阈值比较器的比较时刻随信号幅度的变化而变化，因此在本发明中，只是将该比较脉冲信号用于第一波检测，以判断回波信号是否到来。

比较脉冲信号第一个脉冲上升沿触发第二单稳态触发器206输出高电平信号，一定时间后跳变为低电平，从而输出一定时间宽度的门控信号到第二与门4。

当开门信号(即D触发器204输出电平为1)有效并检测到第一波后(比较脉冲信号低电平跳变为高电平)，第二单稳态触发器206产生47μs左右的门控信号，如图5所示。

中位点比较器3中，放大后的回波信号Sgout的0值对应电源电压Vcc的中位值Vcc/2，将中位点比较器3的比较电平设置为Vcc/2，中位点比较器中B路回波信号与比较电平Vcc/2进行比较，输出过零比较信号到第二与门4。

由于使用单电源，所以放大后的回波信号的0值对应电源电压的中位值Vcc/2，将中位点比较器3的比较电平设置为Vcc/2，对交流信号来说相当于过零比较。由于信号的过零点不随放大倍数的变化而变化，因此非常适合作为时间测量的停止信号。

第二与门4对门控信号、过零脉冲信号进行与操作，如图5所示，输出即时间测量电路所需的脉冲信号。

这样，在该门控信号时间段内，B通道的过零比较信号进入后级进行时间测量。当定时时间结束后，关闭第二与门4以屏蔽过零比较信号的输出。在本实施例中，该门控信号的持续时间可由外接电阻R2进行调节，保证有足够数量的停止信号进入时间测量单元。

在本实施例中，本发明气体超声波流量计信号处理及转换电路被封装在一起，构成了气体超声波流量计信号处理及转换模块，其对外引脚名称如图6所示。

各引脚功能说明如表1所示。

表1

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种气体超声波流量计信号处理及转换电路，其特征在于，包括：

单电源放大器，用来实现对回波信号的放大，放大后的回波信号分为A路、B路两路信号，其中，A路输入到门控信号产生电路、B路输入到中位点比较器；

门控信号产生电路，包括数字电位计、阈值比较器、第一单稳态触发器、D触发器、第一与门、第二单稳态触发器；

数字电位计根据气体流量计中气体压力，产生大于Vcc/2的阈值比较电压，且气体压力越大，阈值比较电压就越高；在阈值比较器A路回波信号与阈值比较电压进行比较，输出比较脉冲信号；

第一单稳态触发器使前测量通道在回波信号到来前处于关闭状态，当触发信号到来时触发第一单稳态触发器输出低电平作为屏蔽信号，D触发器输出电平为0，当延迟时间结束，第一单稳态触发器输出由低电平变为高电平(上升沿)使D触发器输出电平置为1，将测量通道打开(使第一与门一端为高电平)，阈值比较器输出的比较脉冲信号与D触发器输出电平在第一与门进行与运算，此时，阈值比较器输出的比较脉冲信号通过第一与门进入第二单稳态触发器；

比较脉冲信号第一个脉冲上升沿触发第二单稳态触发器输出高电平信号，一定时间后跳变为低电平，从而输出一定时间宽度的门控信号到第二与门；

中位点比较器，放大后的回波信号的0值对应电源电压Vcc的中位值Vcc/2，将中位点比较器的比较电平设置为Vcc/2，中位点比较器中B路回波信号与比较电平Vcc/2进行比较，输出过零比较信号到第二与门；

第二与门，对门控信号、过零脉冲信号进行与操作，得到时间测量电路所需的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的气体超声波流量计信号处理及转换电路，其特征在于，所述门控信号时间宽度为47μs左右。