CN111664904A - 一种流量参数测量装置及超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量参数测量装置，超声脉冲发生器发送脉冲计时开始信号，当计时模块在接收到脉冲计时开始信号时开始计时、在接收到脉冲的回波时停止计时，计时模块基于开始计时、停止计时及时钟发生器产生的系统时钟得到脉冲计时信息，逻辑运算器基于脉冲计时信息得到脉冲计时时间，外部处理器基于通信模块发送的脉冲计时时间确定待测流体的流速。该方案通过对流体发出超声波脉冲来实现流量参数的测量，避免了在流体管道内设置固体器件对流体流速产生影响，消除了压损，并且通过超声波能够在流体流速较低时也精确地测量流体流量，测量精度和重复性高。本发明还公开了一种超声波流量计，具有与上述流量参数测量装置相同的有益效果。

Description

一种流量参数测量装置及超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种流量参数测量装置及超声波流量计。

背景技术

近几年来，测量水、燃气等流体的流量的技术得到了迅猛发展。现有技术中的流量计通常为机械流量计，机械流量计包括设置于流体管道中的转盘或者波轮，流体在流动时会带动转盘或者波轮转动，通过转盘或者波轮的转动圈数能够得到流体的流速，进而基于流体的流速及流体管道的管径得到流体的流量。但一方面，当流体管道中的流体的流速较低时，不能很好地带动转盘或者波轮转动，从而使得机械流量计的灵敏度低，降低了机械流量计的测量精度，且重复性差；另一方面，转盘或者波轮会对流体管道中的流体的流速产生影响，存在压损。

发明内容

本发明的目的是提供一种流量参数测量装置及超声波流量计，通过对流体发出超声波脉冲来实现流量计的计量，避免了因在流体管道内设置固体器件而对流体管道中的流体流速产生影响，消除了压损，并且超声波能够在流体流速较低时精确地测量并计算流体流量，测量精度和重复性高。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种流量参数测量装置，包括：

时钟发生器，用于生成系统时钟；

与所述时钟发生器连接的超声脉冲发生器，用于在接收到测量命令时向待测流体发送脉冲，并向计时模块发送脉冲计时开始信号，所述脉冲包括顺流脉冲和逆流脉冲；

分别与所述时钟发生器及所述超声脉冲发生器连接的计时模块，用于在接收到所述脉冲计时开始信号时开始计时，在接收到所述脉冲的回波时停止计时，基于所述开始计时、所述停止计时及所述系统时钟得到脉冲计时信息；

与所述计时模块连接的逻辑运算器，用于基于所述脉冲计时信息得到脉冲计时时间；

与所述逻辑运算器连接的通信模块，用于传输所述脉冲计时时间，以便外部处理器基于所述脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定所述待测流体的流速。

优选地，所述计时模块还用于测量1个所述系统时钟周期的时间；

所述计时模块包括：

粗值计时模块，用于将接收到所述脉冲计时开始信号之后的第一个系统时钟的上升沿与在接收到所述脉冲的回波之后的第一个系统时钟的上升沿之间的系统时间的周期数计为粗值计时时间；

第一精密计时模块，用于将接收到所述脉冲计时开始信号与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第一精密时间；

第二精密计时模块，用于将接收到所述脉冲的回波与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第二精密时间；

与所述粗值计时模块、所述第一精密计时模块及所述第二精密计时模块连接的所述逻辑运算器，用于基于所述粗值计时时间、所述第一精密时间、所述第二精密时间、1个所述系统时钟周期的时间及第一时间关系式得到脉冲计时时间；

其中，所述第一时间关系式＝所述粗值计时时间+(所述第一精密时间-所述第二精密时间)/1个所述系统时钟周期的时间。

优选地，所述第一精密计时模块和所述第二精密计时模块均为N个，N为不小于2的整数；

所述逻辑运算器还用于确定N个所述第一精密计时模块得到的所述第一精密时间的和及N个所述第二精密计时模块得到的所述第二精密时间的和，则所述第一时间关系式＝所述粗值计时时间+(所述第一精密时间的和-所述第二精密时间的和)/(N*1个所述系统时钟周期的时间)。

优选地，还包括：

与所述计时模块连接的可调阈值比较器，用于基于基准电压将幅值低于预设值的所述脉冲的回波进行滤除处理；

所述计时模块还用于接收回波选择指令，并根据所述回波选择指令选择在接收到所述脉冲的回波还是滤波后的所述脉冲的回波时停止计时。

优选地，还包括：

分别与所述时钟发生器、所述超声脉冲发生器、所述计时模块、所述通信模块、所述逻辑运算器以及所述可调阈值比较器连接的控制器，用于通过所述通信模块接收所述外部处理器发出的配置信息，根据所述配置信息配置所述时钟发生器的系统时钟的频率、所述超声脉冲发生器发送的脉冲的个数和频率、所述计时模块接收到的所述脉冲的边沿选择及所述可调阈值比较器的所述基准电压。

优选地，还包括：

与所述计时模块连接的所述可调阈值比较器，用于基于所述基准电压将幅值低于预设值的所述脉冲的回波进行滤除处理，且在所述基准电压调为0后将所述脉冲的回波与0的比较结果输出至所述计时模块；

与所述可调阈值比较器连接的所述第一波检测模块，用于确定所述可调阈值比较器进行滤除处理后输出的第一个所述脉冲的回波的宽度，以便所述外部处理器在接收到所述第一个脉冲的回波的宽度后通过所述控制器将所述可调阈值比较器的所述基准电压调为0，并基于所述第一个所述脉冲的回波的宽度及第一个所述脉冲的宽度确定第一个所述脉冲的回波的强度。

优选地，还包括：

分别与所述计时模块和所述逻辑运算器连接的原始数据寄存器，用于存储所述脉冲计时信息，以便所述逻辑运算器获取所述脉冲计时信息；

分别与所述逻辑运算器和所述通信模块连接的结果数据寄存器，用于存储所述脉冲计时时间，以便所述外部存储器获取所述脉冲计时时间。

优选地，所述时钟发生器包括：

高频时钟发生器，用于生成所述系统时钟；

与所述高频时钟发生器连接的校准时钟，用于校准所述系统时钟。

优选地，还包括：

与所述计时模块连接的温度测量模块，用于在接收到温度检测命令后检测所述待测流体的温度，以便所述外部处理器基于所述待测流体的温度对所述待测流体的流速进行修正。

优选地，所述温度测量模块包括基于基准电阻构成的第一充放电电路和基于热敏电阻构成的第二充放电电路，其中，所述基准电阻的阻值与温度无关；

所述计时模块还用于分别对所述第一充放电电路的充放电时间进行第一计时，对所述第二充放电电路进行第二计时，以便所述外部处理器基于所述第一计时和所述第二计时的时间差确定所述待测流体的温度。

为解决上述问题，本发明还提供了一种超声波流量计，包括如上述所述的流量参数测量装置，还包括：

与所述流量参数测量装置连接的外部处理器，用于基于所述脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定所述待测流体的流速。

本发明提供了一种流量参数测量装置，该装置包括时钟发生器、超声脉冲发生器、计时模块、逻辑运算器以及通信模块，首先通过时钟发生器产生系统时钟，超声脉冲发生器对流体发送脉冲计时开始信号，当计时模块在接收到脉冲计时开始信号时开始计时，脉冲信号在流体中传播时遇到障碍物会反射回波，当计时模块接收到脉冲的回波时停止计时，计时模块基于开始计时、停止计时及系统时钟得到脉冲计时信息，并将脉冲计时信息发送至逻辑运算器，逻辑运算器基于脉冲计时信息得到脉冲计时时间，并通过通信模块将脉冲计时时间发送至外部处理器，外部处理器基于脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定待测流体的流速。该方案通过对流体发出超声波脉冲来实现流量参数的测量，一方面，避免了因在流体管道内设置固体器件而对流体管道中的流体流速产生影响，消除了压损，另一方面，通过超声波能够在流体流速较低时也精确地进行流量参数测量，测量精度和重复性高。

本发明还提供了一种超声波流量计，具有与上述流量参数测量装置相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种流量参数测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种流量参数测量装置的工作原理图；

图3为本发明提供的另一种流量参数测量装置的结构示意图；

图4为本发明提供的一种超声波流量计的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种流量参数测量装置及超声波流量计，通过对流体发出超声波脉冲来实现流量计的计量，避免了因在流体管道内设置固体器件而对流体管道中的流体流速产生影响，消除了压损，并且超声波能够在流体流速较低时精确地测量并计算流体流量，测量精度和重复性高。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种流量参数测量装置的结构示意图。

包括：

时钟发生器1，用于生成系统时钟；

与时钟发生器1连接的超声脉冲发生器2，用于在接收到测量命令时向待测流体发送脉冲，并向计时模块3发送脉冲计时开始信号，脉冲包括顺流脉冲和逆流脉冲；

分别与时钟发生器1及超声脉冲发生器2连接的计时模块3，用于在接收到脉冲计时开始信号时开始计时，在接收到脉冲的回波时停止计时，基于开始计时、停止计时及系统时钟得到脉冲计时信息；

与计时模块3连接的逻辑运算器4，用于基于脉冲计时信息得到脉冲计时时间；

与逻辑运算器4连接的通信模块5，用于传输脉冲计时时间，以便外部处理器基于脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定待测流体的流速。

申请人考虑到，超声波在流体中传播时，超声波的传播时间与流体传播速度有关，并且超声波在流体中的顺流传播时间与逆流传播时间不同，因此，可以通过对超声波在流体中的顺流传播时间与逆流传播时间、流体的流速及流体管道的管径的测量，再通过固定的时间计算公式计算出流体的流量。

基于此，本申请提供的方案中，首先时钟发生器1生成系统时钟，超声脉冲发生器2在接收到测量命令时向待测流体中发送脉冲，计时模块3在接收到超声脉冲发生器2发送的脉冲计时开始信号时开始计时，脉冲信号在流体中传播时遇到障碍物会反射回波信号，当计时模块3接收到脉冲的回波信号时停止计时，计时模块3基于开始计时、停止计时及系统时钟得到脉冲计时信息，并将脉冲计时信息发送至逻辑运算器4，逻辑运算器4基于脉冲计时信息得到脉冲计时时间，并通过通信模块5将脉冲计时时间发送至外部处理器，外部处理器基于脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定待测流体的流速。其中，上述脉冲计时信息为用于计算开始计时与停止计时之间的脉冲计时时间的信息。

其中，超声波在流体中的顺流传播指超声脉冲发生器2向流体中发送的超声波脉冲与流体的流动方向相同，超声波在流体中的逆流传播指超声脉冲发生器2向流体中发送的超声波脉冲与流体的流动方向相反。

此外，通信模块5可以为双向串行通信模块，例如为一个标准的4线SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)串行接口，逻辑运算器4通过4线SPI串行接口与外部处理器连接，4线SPI串行接口实现逻辑运算器4与外部处理器之间的数据传输。

当然，这里的通信模块5并不仅限于双向串行通信模块，还可以选择其他类型的通信模块5，本申请在此不作特别的限定。

综上，本发明提供的一种流量参数测量装置，该方案中，通过对流体发出超声波脉冲来实现流量计的计量，避免了因在流体管道内设置固体器件而对流体管道中的流体流速产生影响，消除了压损，并且超声波能够在流体流速较低时精确地测量并计算流体流量，测量精度和重复性高。

请参照图2和图3，其中，图2为本发明提供的一种流量参数测量装置的工作原理图，图3为本发明提供的另一种流量参数测量装置的结构示意图。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，计时模块3还用于测量1个系统时钟周期的时间；

计时模块3包括：

粗值计时模块，用于将接收到脉冲计时开始信号之后的第一个系统时钟的上升沿与在接收到脉冲的回波之后的第一个系统时钟的上升沿之间的系统时间的周期数计为粗值计时时间；

第一精密计时模块，用于将接收到脉冲计时开始信号与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第一精密时间；

第二精密计时模块，用于将接收到脉冲的回波与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第二精密时间；

与粗值计时模块、第一精密计时模块及第二精密计时模块连接的逻辑运算器4，用于基于粗值计时时间、第一精密时间、第二精密时间、1个系统时钟周期的时间及第一时间关系式得到脉冲计时时间；

其中，第一时间关系式＝粗值计时时间+(第一精密时间-第二精密时间)/1个系统时钟周期的时间。

为了通过计时模块3获得更精密的脉冲计时信息，从而提高本装置的测量精度，本实施例中，在计时模块3中设置了粗值计时模块、第一精密计时模块以及第二精密计时模块。

粗值计时模块将接收到脉冲计时开始信号之后的第一个系统时钟的上升沿与在接收到脉冲的回波之后的第一个系统时钟的上升沿之间的系统时间的周期数计为粗值计时时间，粗值计时时间是系统时钟周期的整数倍。

第一精密计时模块将接收到脉冲计时开始信号与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第一精密时间，第二精密计时模块将接收到脉冲的回波与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第二精密时间。

逻辑运算模块对粗值计时模块、第一精密计时模块以及第二精密计时模块得到的脉冲计时信息进行计算，则计算{粗值计时时间+(第一精密时间-第二精密时间)/1个系统时钟周期的时间}能够得到开始计时与停止计时之间的系统时钟的周期数，也即脉冲计时时间，后续外部处理器基于周期数及系统时钟的时间便可以得到开始计时与停止计时之间的具体脉冲计时时间的时间值。

在实际应用中，计时模块3还可以将开始计时与停止计时之间的脉冲计时时间转换成二进制补码。在本申请中，逻辑运算模块基于以下这个公式对开始计时与停止计时之间的具体脉冲计时时间的时间值进行运算：Time＝RES_X×Tref×2^ClkHSDiv，其中，Time为开始计时与停止计时之间的脉冲计时时间的时间值；RES_X为脉冲计时时间，Tref为时钟发生器1的系统时钟，ClkHSDiv为系统时钟的分频系数。其中，RES_X可以为以2的补码形式显示的32位的固定浮点数，其中高16位为整数部分，低16位为小数部分。

具体地，超声脉冲发生器2可分别向顺流方向发送多个顺流脉冲及向逆流方向发送多个逆流脉冲，假设最终得到16个计算结果，其中，顺流脉冲计时时间计算结果8个，逆流脉冲计时时间计算结果8个，则在计算{粗值计时时间+(第一精密时间-第二精密时间)/1个系统时钟周期的时间}后，可得到16个脉冲计时时间，其中，顺流脉冲计时时间8个，逆流脉冲计时时间8个。本实施例通过在计时模块3中设置粗值计时模块、第一精密计时模块以及第二精密计时模块，可以将计时模块3的计时精度提高，从而使本装置的测量精度也相应提高。

此外，考虑到在采集系统时钟周期的时间时会存在固定偏差，为了消除固定偏差，提高测量精度，上述第一时间关系式中的1个系统时钟周期的时间可以是通过M个系统时钟周期的时间-(M-1)个系统时钟周期的时间的差值来得到，其中，M为不小于2的整数，由于M个系统时钟周期的时间的固定偏差和(M-1)个系统时钟周期的时间的固定偏差是相同的，通过上述方式得到的1个系统时钟周期的时间实现了固定偏差的消除。

需要说明的是，计时模块3并不仅限于设为粗值计时模块、第一精密计时模块以及第二精密计时模块，还可以对计时模块3进行其他设置，例如：将第一精密计时模块和第二精密计时模块进行合并，设为一个精密计时模块，该精密计时模块可以将接收到脉冲计时开始信号与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第一精密时间，将接收到脉冲的回波与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第二精密时间。计时模块3具体如何设置本申请在此不作特别的限定。

此外，粗值计时模块、第一精密计时模块以及第二精密计时模块在进行计时操作时，计时的开始与停止标志并不仅限于选取系统时钟的上升沿，也可以选择系统时钟的下降沿作为计时的开始与停止标志，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，第一精密计时模块和第二精密计时模块均为N个，N为不小于2的整数；

逻辑运算器4还用于确定N个第一精密计时模块得到的第一精密时间的和及N个第二精密计时模块得到的第二精密时间的和，则第一时间关系式＝粗值计时时间+(第一精密时间的和-第二精密时间的和)/(N*1个系统时钟周期的时间)。

需要说明的是，本申请中，计时模块3在计时时是基于最小计时单位(也即计时模块3的门级延时)来进行计时的，则第一精密时间等于第一精密时间内最小计时单位的个数；这里的第二精密时间等于第二精密时间内最小计时单位的个数。1个系统时钟周期的时间等于1个系统时钟周期内的最小计时单位的个数。

考虑到在逻辑运算中，计时模块3单次测量的计时信息具有偶然性，且系统时钟会有固定偏差，直接通过单次测量的计时信息进行计算，会导致测量精度低、重复性差。

为了通过计时模块3更进一步获得精密的脉冲计时信息，从而提高本装置的测量精度，本实施例中，将第一精密计时模块和第二精密计时模块均设为N个，其中，N为不小于2的整数。具体地，计时模块3通过N个通路同时输入同一个信号，并将第一精密时间的计时结果在内部累加，将第二精密时间的计时结果在内部累加，将1个系统时钟周期的时间在内部累加，从而得到第一精密时间的N倍值、第二精密时间的N倍值以及1个系统时钟周期的时间的N倍值，则改进后的第一时间关系式＝粗值计时时间+(N个第一精密时间的和-N个第二精密时间的和)/(N*1个系统时钟周期的时间)的计算结果的精度会比未改进的第一时间关系式＝粗值计时时间+(第一精密时间-第二精密时间)/(1个系统时钟周期的时间)的计算结果的精度提高N倍。

以N为2为例，假设时钟频率为4Mhz，则时钟周期为250ns，在单精度模式下，计时模块3的门级延时为60ps，1个系统时钟周期的时间(本质上是1个系统时钟周期的最小计时单位的个数)为250/0.06＝4166，1个系统时钟周期的时间的2倍值为4166*2＝8332，因为周期250ns不变，1个系统时钟周期的时间变成了2倍，所以250ns/8332＝30ps，相当于门级延时变成了30ps，也即最小计时单位变成了30ps，是原单精度模式下门级延时的1/2。

本方案将第一精密时间、第二精密时间以及1个系统时钟周期的时间均设为N个，通过对N个系统时钟周期的时间取平均，再通过逻辑运算器4的计算，可以将原来的精度提高N倍，从而很大地提高测量精度，并解决重复性差的问题。

需要说明的是，在实际应用中，为了提高N倍精度，可以仅设置N/2个第一精密计时模块和第二精密计时模块，此时N为正偶数，则后续第一时间关系式＝粗值计时时间+(N/2个第一精密时间的和*2-N/2个第二精密时间的和*2)/(N/2*1个系统时钟周期的时间*2)，可见，通过该种方式在实现N倍精度即门延时变为1/N的基础上，还节约了成本。

作为一种优选地实施例，还包括：

与计时模块3连接的可调阈值比较器6，用于基于基准电压将幅值低于预设值的脉冲的回波进行滤除处理；

计时模块3还用于接收回波选择指令，并根据回波选择指令选择在接收到脉冲的回波还是滤波后的脉冲的回波时停止计时。

考虑到在进行流量参数测量时，超声波脉冲的脉冲的回波的幅值是呈包络状增大的，又回波可能会受到噪声的干扰，甚至于前期的回波的幅值和噪声的幅值差不多大，甚至于噪声的幅值比前期的回波的幅值还大，该种情况可能会造成计时模块出现计时错误。

为提高测量精度，在本实施例中，设置了与计时模块3连接的可调阈值比较器6。具体地，先将可调阈值比较器6的基准电压设置在噪声之上，由于脉冲的回波信号为包络信号，脉冲的回波信号的幅值随着时间逐渐增大，则测量前期低于预设基准电压的脉冲的回波信号被进行滤除处理，在脉冲的回波的幅值越来越大时，则后续可调阈值比较器6会将幅值大于基准电压的幅值的脉冲的回波输出至计时模块3。

在实际应用中，可调阈值比较器6的负向输入端可输入基准电压，正向输入端接收脉冲的回波，则可调阈值比较器6在测量初期的输出可能是低电平，在可调阈值比较器6的输出变为高电平时，则说明此时脉冲的回波的幅值比基准电压大，此时当可调阈值比较器6会将高电平输出至计时模块3，若计时模块3根据回波选择指令选择在接收到滤波后的脉冲的回波时停止计时，则计时模块3在接收到高电平后停止计时。

这里需要说明的是，计时模块3根据回波选择指令选择在接收到脉冲的回波信号还是滤波后的脉冲的回波信号时停止计时。具体地，每个脉冲开始计时时间指超声脉冲发生器2在接收到每个脉冲计时开始信号时的时间，但脉冲停止计时时间包括两种：一种是计时模块3在接收到脉冲的回波信号时产生的脉冲停止计时时间，另一种是计时模块3在接收到滤波后的脉冲的回波信号时产生的脉冲停止计时时间。在第一种情况下，通过计时模块3获得的开始计时与停止计时之间的脉冲计时信息为超声脉冲发生器2在接收到每个脉冲计时开始信号时的时间至计时模块3接收到各个脉冲的回波信号时产生的脉冲停止计时时间；第二种情况下，通过计时模块3获得的开始计时与停止计时之间的脉冲计时信息为超声脉冲发生器2在接收到每个脉冲计时开始信号时的时间至计时模块3接收到滤波后的脉冲的回波信号时产生的脉冲停止计时时间，例如脉冲的第三个回波信号达到可调阈值比较器6的基准电压，则脉冲的第一个回波信号与第二个回波信号被滤除，开始计时与停止计时之间的脉冲计时信息为超声脉冲发生器2在接收到每个脉冲计时开始信号时的时间至计时模块3接收到脉冲的第三个回波信号产生的脉冲停止计时时间。

通过设置可调阈值比较器6，实现了对脉冲的回波信号的滤波处理，解决了噪声干扰脉冲的回波信号的问题，提高了后续对脉冲的回波信号检测的精确度。

作为一种优选地实施例，还包括：

分别与时钟发生器1、超声脉冲发生器2、计时模块3、通信模块5、逻辑运算器4以及可调阈值比较器6连接的控制器8，用于通过通信模块5接收外部处理器发出的配置信息，根据配置信息配置时钟发生器1的系统时钟的频率、超声脉冲发生器2发送的脉冲的个数和频率、计时模块3接收到的脉冲的边沿选择及可调阈值比较器6的基准电压。

考虑到需要对外部处理器发出的操作命令进行译码，并对各模块按需进行配置。在本实施例中，设置了分别与时钟发生器1、超声脉冲发生器2、计时模块3、通信模块5、逻辑运算器4以及可调阈值比较器6连接的控制器8，控制器8对外部处理器发出的操作命令进行译码执行，操作命令主要用来复位、初始化、配置芯片、测量、读取测量数据、读取电路状态值等；其中配置芯片命令可以对其它模块按需进行设置，包括对时钟发生器1的系统时钟的频率、超声脉冲发生器2发送的脉冲的个数和频率、计时模块3接收到的脉冲的边沿选择、可调阈值比较器6的基准电压、溢出时间设定、中断选择、内部系统时钟分频系数、是否校准测量等。

通过设置控制器8对外部处理器发出的操作命令进行译码，并对各模块按需进行配置，可以指挥、协调各模块进行工作，提高了该测量装置的运行效率。

当然，控制器8并不仅限对时钟发生器1、超声脉冲发生器2、计时模块3、通信模块5、逻辑运算器4以及可调阈值比较器6进行配置，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，还包括：

与计时模块3连接的可调阈值比较器6，用于基于基准电压将幅值低于预设值的脉冲的回波进行滤除处理，且在基准电压调为0后将脉冲的回波与0的比较结果输出至计时模块3；

与可调阈值比较器6连接的第一波检测模块7，用于确定可调阈值比较器6进行滤除处理后输出的第一个脉冲的回波的宽度，以便外部处理器在接收到第一个脉冲的回波的宽度后通过控制器8将可调阈值比较器6的基准电压调为0，并基于第一个所述脉冲的回波的宽度及第一个脉冲的宽度确定第一个所述脉冲的回波的强度。

具体地，第一波检测模块7对经过可调阈值比较器6进行滤除处理后输出的第一个脉冲的回波信号的宽度进行测量后发送至外部处理器，并将滤波后的脉冲的回波信号发送到计时模块3。外部处理器将第一个脉冲的回波信号的宽度与超声脉冲发生器2发出的第一个脉冲的宽度进行对比，从而确定第一个脉冲的回波信号的强度，并基于第一个脉冲的回波信号的强度调整可调阈值比较器6的基准电压，以便对下一次脉冲的回波信号的滤除处理进行校准。

在本实施例中，当可调阈值比较器6捕捉到达到预设基准电压的脉冲的回波信号，并确定了可调阈值比较器6进行滤除处理后输出的第一个脉冲的回波的宽度后，外部处理器在接收到第一个脉冲的回波的宽度后还会通过控制器8将基准电压调为0，且在基准电压调为0后将脉冲的回波与0的比较结果输出至计时模块3，即计时模块3接收到停止计时信号，通过该种方式能够使得幅值大于基准电压的幅值的脉冲的回波能够直接通过可调阈值比较器6输出至计时模块3，也即可调阈值比较器6输出的脉冲的宽度和回波的宽度相同，从而保证了计时精度。

此外，对回波信号的宽度进行测量的方式可以通过通信模块5直接读取数据，还可以通过计算占空比的方式获取回波信号的宽度，对于具体采用哪种方式获取回波信号的宽度，本申请不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，还包括：

分别与计时模块3和逻辑运算器4连接的原始数据寄存器9，用于存储脉冲计时信息，以便逻辑运算器4获取脉冲计时信息；

分别与逻辑运算器4和通信模块5连接的结果数据寄存器10，用于存储脉冲计时时间，以便外部存储器获取脉冲计时时间。

为了防止脉冲计时信息和脉冲计时时间丢失，在本实施例中，设置了分别与计时模块3和逻辑运算器4连接的原始数据寄存器9和分别与逻辑运算器4和通信模块5连接的结果数据寄存器10，其中，原始数据寄存器9用于存储脉冲计时时间、脉冲计时信息等，结果数据寄存器10用于存储脉冲计时时间、温度测量结果以及第一波检测模块7对脉冲回波信号的宽度的测量结果。通过设置原始数据寄存器9和结果数据寄存器10保存计时结果以及运算结果等信息，在逻辑运算器4需要时从原始数据寄存器9和结果数据寄存器10中获取相应数据，能够有效防止数据丢失。

需要说明的是，在结果数据寄存器10对完成测量运算后的数据进行储存后，逻辑运算器4会产生中断，通知外部处理器完成测量、可以读取数据，其中，有三种情况会产生中断：逻辑运算器4运算完成、逻辑运算器4接收脉冲数达到预设值、计时模块溢出。

作为一种优选地实施例，时钟发生器1包括：

高频时钟发生器，用于生成系统时钟；

与高频时钟发生器连接的校准时钟，用于校准系统时钟。

考虑到处理器在系统时钟的驱动下完成指令执行、状态变换等动作，且各模块在系统时钟的驱动下完成各种工作，因此，必须选用稳定性高的时钟发生器。

本实施例中，时钟发生器1通过外接晶体振荡器产生时钟，由控制器8对时钟发生器1进行开关和分频设置。时钟发生器1包括高频时钟发生器和校准时钟，其中，高频时钟发生器用于生成系统时钟，校准时钟用于校准系统时钟。

此外，校准时钟通常选用32.768Khz时钟发生器，因为32.768Khz的时钟具有稳定性好的优点。

当然，这里的校准时钟并不仅限为32.768Khz时钟发生器，对于具体选用哪种类型的校准时钟，本申请不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，还包括：

与计时模块3连接的温度测量模块11，用于在接收到温度检测命令后检测待测流体的温度，以便外部处理器基于待测流体的温度对待测流体的流速进行修正。

考虑到温度对待测流体的速度产生影响，为使本方案的流量参数测量更加精确，本实施例中，设置了与计时模块3连接的温度测量模块11，控制器8对温度测量模块11下发温度检测命令，温度测量模块11在接收到温度检测命令后对待测流体的温度进行检测，并将检测结果发送至外部处理器，外部处理器基于待测流体的温度对待测流体的流速进行修正。通过设置温度测量模块11对待测流体的温度进行检测以及对待测流体的流速进行修正，提高了本方案的流量参数测量的精确度。

作为一种优选地实施例，温度测量模块11包括基于基准电阻构成的第一充放电电路和基于热敏电阻构成的第二充放电电路，其中，基准电阻的阻值与温度无关；

计时模块3还用于分别对第一充放电电路的充放电时间进行第一计时，对第二充放电电路进行第二计时，以便外部处理器基于第一计时和第二计时的时间差确定待测流体的温度。

为了提供高精度和低功耗的温度测量，在本实施例中，温度测量模块11基于基准电阻对电容的放电时间以及热敏电阻对电容的放电时间确定待测流体的温度。具体地，温度测量模块11包括第一充放电电路和第二充放电电路，其中，第一充放电电路包括基准电阻和电容，第二充放电电路包括热敏电阻和电容，计时模块3分别对第一充放电电路的充放电时间进行第一计时，对第二充放电电路进行第二计时，并将第一计时与第二计时发送至外部处理器。外部处理器基于第一计时和第二计时的时间差确定待测流体的温度，进而后续根据温度对待测流体的流速进行修正。

本实施例基于电阻对电容的放电时间进行计算出待测流体的温度，提高了温度测量模块11的精度，并且降低了功耗。

此外，这里的温度测量模式并不仅限为通过基准电阻对电容的放电时间以及热敏电阻对电容的放电时间确定待测流体的温度，对于具体选用哪种类型的温度测量模式，本申请不作特别的限定。

请参照图4，图4为本发明提供的一种超声波流量计的结构示意图。

该超声波流量计包括如上述的流量参数测量装置，还包括：

与流量参数测量装置连接的外部处理器12，用于基于脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定待测流体的流速。

对于本发明提供的一种超声波流量计的介绍请参照上述装置实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种流量参数测量装置，其特征在于，包括：

时钟发生器，用于生成系统时钟；

与所述时钟发生器连接的超声脉冲发生器，用于在接收到测量命令时向待测流体发送脉冲，并向计时模块发送脉冲计时开始信号，所述脉冲包括顺流脉冲和逆流脉冲；

分别与所述时钟发生器及所述超声脉冲发生器连接的计时模块，用于在接收到所述脉冲计时开始信号时开始计时，在接收到所述脉冲的回波时停止计时，基于所述开始计时、所述停止计时及所述系统时钟得到脉冲计时信息；

与所述计时模块连接的逻辑运算器，用于基于所述脉冲计时信息得到脉冲计时时间；

与所述逻辑运算器连接的通信模块，用于传输所述脉冲计时时间，以便外部处理器基于所述脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定所述待测流体的流速。

2.如权利要求1所述的流量参数测量装置，其特征在于，所述计时模块还用于测量1个所述系统时钟周期的时间；

所述计时模块包括：

粗值计时模块，用于将接收到所述脉冲计时开始信号之后的第一个系统时钟的上升沿与在接收到所述脉冲的回波之后的第一个系统时钟的上升沿之间的系统时间的周期数计为粗值计时时间；

第一精密计时模块，用于将接收到所述脉冲计时开始信号与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第一精密时间；

第二精密计时模块，用于将接收到所述脉冲的回波与其之后的第一个系统时钟的上升沿之间的时间计为第二精密时间；

与所述粗值计时模块、所述第一精密计时模块及所述第二精密计时模块连接的所述逻辑运算器，用于基于所述粗值计时时间、所述第一精密时间、所述第二精密时间、1个所述系统时钟周期的时间及第一时间关系式得到脉冲计时时间；

其中，所述第一时间关系式＝所述粗值计时时间+(所述第一精密时间-所述第二精密时间)/1个所述系统时钟周期的时间。

3.如权利要求2所述的流量参数测量装置，其特征在于，所述第一精密计时模块和所述第二精密计时模块均为N个，N为不小于2的整数；

所述逻辑运算器还用于确定N个所述第一精密计时模块得到的所述第一精密时间的和及N个所述第二精密计时模块得到的所述第二精密时间的和；则所述第一时间关系式＝所述粗值计时时间+(所述第一精密时间的和-所述第二精密时间的和)/(N*1个所述系统时钟周期的时间)。

4.如权利要求1所述的流量参数测量装置，其特征在于，还包括：

与所述计时模块连接的可调阈值比较器，用于基于基准电压将幅值低于预设值的所述脉冲的回波进行滤除处理；

所述计时模块还用于接收回波选择指令，并根据所述回波选择指令选择在接收到所述脉冲的回波还是滤波后的所述脉冲的回波时停止计时。

5.如权利要求4所述的流量参数测量装置，其特征在于，还包括：

分别与所述时钟发生器、所述超声脉冲发生器、所述计时模块、所述通信模块、所述逻辑运算器以及所述可调阈值比较器连接的控制器，用于通过所述通信模块接收所述外部处理器发出的配置信息，根据所述配置信息配置所述时钟发生器的系统时钟的频率、所述超声脉冲发生器发送的脉冲的个数和频率、所述计时模块接收到的所述脉冲的边沿选择及所述可调阈值比较器的所述基准电压。

6.如权利要求5所述的流量参数测量装置，其特征在于，还包括：

与所述计时模块连接的所述可调阈值比较器，用于基于所述基准电压将幅值低于预设值的所述脉冲的回波进行滤除处理，且在所述基准电压调为0后将所述脉冲的回波与0的比较结果输出至所述计时模块；

与所述可调阈值比较器连接的所述第一波检测模块，用于确定所述可调阈值比较器进行滤除处理后输出的第一个所述脉冲的回波的宽度，以便所述外部处理器在接收到所述第一个脉冲的回波的宽度后通过所述控制器将所述可调阈值比较器的所述基准电压调为0，并基于所述第一个所述脉冲的回波的宽度及第一个所述脉冲的宽度确定第一个所述脉冲的回波的强度。

7.如权利要求1所述的流量参数测量装置，其特征在于，还包括：

分别与所述计时模块和所述逻辑运算器连接的原始数据寄存器，用于存储所述脉冲计时信息，以便所述逻辑运算器获取所述脉冲计时信息；

分别与所述逻辑运算器和所述通信模块连接的结果数据寄存器，用于存储所述脉冲计时时间，以便所述外部存储器获取所述脉冲计时时间。

8.如权利要求1所述的流量参数测量装置，其特征在于，所述时钟发生器包括：

高频时钟发生器，用于生成所述系统时钟；

与所述高频时钟发生器连接的校准时钟，用于校准所述系统时钟。

9.如权利要求1至8任一项所述的流量参数测量装置，其特征在于，还包括：

与所述计时模块连接的温度测量模块，用于在接收到温度检测命令后检测所述待测流体的温度，以便所述外部处理器基于所述待测流体的温度对所述待测流体的流速进行修正。

10.如权利要求9所述的流量参数测量装置，其特征在于，所述温度测量模块包括基于基准电阻构成的第一充放电电路和基于热敏电阻构成的第二充放电电路，其中，所述基准电阻的阻值与温度无关；

所述计时模块还用于分别对所述第一充放电电路的充放电时间进行第一计时，对所述第二充放电电路进行第二计时，以便所述外部处理器基于所述第一计时和所述第二计时的时间差确定所述待测流体的温度。

11.一种超声波流量计，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的流量参数测量装置，还包括：

与所述流量参数测量装置连接的外部处理器，用于基于所述脉冲计时时间中的顺流脉冲计时时间和逆流脉冲计时时间的时间差确定所述待测流体的流速。

Images