CN112557697A - 一种超声波烟气流速测量电路 - Google Patents
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Abstract
一种超声波烟气流速测量电路，包括主控单元，与主控单元对应引脚连接的超声波收发单元，包括发送模块和接收模块、回波处理模块、计时模块，发送模块和接收模块均包括依次设置的驱动电路、收发为一体的超声波换能器、信号放大电路；回波处理模块的包括对应输入端口分别通过对应的开关电路与对应的驱动电路的输入端连接、对应的输出端口与信号放大电路的输出端连接；所述计时模块与回波处理模块对应引脚连接；显示单元，用于显示流速大小；温度测量单元，用于测量通道内流体的温度；压力测量单元，用于测量通过通道内流体经过时产生的压力；上位机通讯单元，用于实现主控单元与上位机进行实时通讯。本电路集成度高，可实现小型化便于工业场景使用。
Description
技术领域
本发明烟气流速测量的技术领域，尤其涉及一种超声波烟气流速测量电路。
背景技术
在生产和实验中，为了提高产品的平均质量和准确计量，需精确测量流体的流量。
超声波流量计检测技术以高精度的突出特点广泛应用于各种流体流量的检测，该技术是利用超声波在流体中的传播特性，将对流量的测量转换为对时间、频率等参数的测量，结合其他物理参数再计出流体流量，具有精度高、非接触性、不破坏流体等优势。
目前CEMS烟气流速测量大部分采用的是皮托管法测流速，普遍存在测量精度不高，另一方面在烟囱截面积大、流速低的场合很难稳定测量。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种超声波烟气流速测量电路，方案具体如下：
一种超声波烟气流速测量电路，包括主控单元，与主控单元对应引脚连接的
超声波收发单元，包括发送模块和接收模块、回波处理模块、计时模块，发送模块和接收模块均包括依次设置的驱动电路、收发为一体的超声波换能器、信号放大电路；回波处理模块的包括对应输入端口分别通过对应的开关电路与对应的驱动电路的输入端连接、对应的输出端口与信号放大电路的输出端连接；所述计时模块与回波处理模块对应引脚连接；
显示单元，用于显示流速大小；
温度测量单元，用于测量通道内流体的温度；
压力测量单元，用于测量通过通道内流体经过时产生的压力；
上位机通讯单元，用于实现主控单元与上位机进行实时通讯。
具体地说，所述发送模块和接收模块电路相同，所述发送模块的驱动电路包括变压器T1，变压器T1的第一输入端与电源驱动连接，第二输入端与开关电路连接，第一输出端依次经过第一限幅电路、滤波电路与对应的超声波换能器A连接，第二输出端和滤波电路、超声换能器的另一端均与地连接，经过第一限幅电路的第一输出端经过电容C3和电阻R8后分别经过二极管D2和二极管D4与地连接，所述二极管D2和二极管D4反向并联，二极管D4的输入端经过电容C4作为发送模块中的第一信号放大电路的输入端。
具体地说，所述第一信号放大电路包括放大器U1，第一信号放大电路的输入端经过电阻R7与所述放大器U1的负输入端连接，并经过电容C10与地连接，第一电源经过电阻R40与放大器U1的正输入端连接，所述正输入端经过电阻R41与地连接；负输入端和输出端之间通过电阻R1连接，输出端经过电容C7作为第一信号放大电路的输出端RX2。
具体地说，所述电源驱动包括第二电源，所述第二电源经过电阻R3与变压器T1的第一输入端连接，第一输入端分别经过电解电容E1和电阻R6与地连接。
具体地说，所述发送模块的第一开关电路包括场效应管Q1,所述场效应管Q1的G极经过电阻R12与回波处理模块的端口TX1连接，G极与S极通过电阻R15连接，D极与变压器T1的第二输入端连接。
具体地说，所述回波处理电路包括芯片U2，所述芯片U2的型号为TDC1000，所述计时模块包括芯片U4，所述芯片U4的型号为TDC7200。
具体地说，所述回波处理电路还包括低通滤汳器FB1，第一电源经过低通滤汳器FB1与作为芯片U2的电源输入端的第23引脚和第24引脚连接，经过低通滤汳器FB2与芯片U2的第22引脚连接，第23引脚和第24引脚经过第一滤波电路与地连接，第22引脚经过第二滤波电路与地连接；
发送模块的第一信号放大电路的输出端RX2与芯片U2的第1引脚连接，与所述发送模块连接的端口TX1为芯片U2的第26引脚，接收模块的第二信号放大电路的输出端RX1与芯片U2的第2引脚连接，所述端口TX1为芯片U2的第26引脚，与接受模块连接的端口TX2为芯片U2的第27引脚；
芯片U2的电源输入端经过调压电路与芯片U2的第3引脚连接；
所述调压电路包括与所述电源输入端连接的电阻R2的输出端分成两路，一路经过电阻R10与地连接，另一端经过电阻R5与芯片U2的第3引脚连接，第3引脚经过电容C8与第连接。
具体地说，所述温度测量单元和压力测量单元还均包括采样电路，所述采样电路包括从采集芯片输出端到地之间串联的电阻R100和电阻R101,采样电路的输出端与电阻R100和电阻R101的连接点连接。
具体地说，所述芯片U4的第12引脚、第11引脚、第10引脚、第9引脚对应与芯片U2的第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚连接，所述芯片U4的第2引脚经过电阻R36、第3引脚经过电阻R35、第4引脚经过电阻R33对应与芯片U2的第16引脚、第13引脚、第14引脚连接，芯片U4的第8引脚经过电阻R34与第一电源连接，第5引脚作为芯片U4的输出端OSC_OUT。
具体地说，所述超声波换能器采用45度安装方式与时差式测量。
本发明提出的超声波烟道气流测量电路，电路集成度高，可实现小型化便于工业场景使用。基于TDC1000和TDC7200超声波测量电路为核心相比于分立元器件，电路一致、性稳定得到了很大提高。并且提高了精度，计时模块的精度能达到55ps级别，针对低流速场合非常适用。可彻底解决皮托管原理难以测低流速的缺点。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2的上图和下图分别为发送模块和接收模块的电路原理图。
图3A为芯片U2的核心电路图。
图3B为有源晶振电路图。
图3C为可编程增益放大器输出和回波鉴定和过零检测器输入关联电路。
图3D为1Mhz配置的级间无源滤波器。
图4为计时模块电路图。
图5为采样电路图。
图6为流速计算模型图。
具体实施方式
如图1所示，一种超声波烟气流速测量电路，包括主控单元，与主控单元对应引脚连接的超声波收发单元、显示单元、温度测量单元、压力测量单元、上位通讯单元。显示单元用于显示流速大小；温度测量单元用于测量通道内流体的温度；压力测量单元用于测量通过通道内流体经过时产生的压力。所述温度测量单元和压力测量单元还均包括采样电路，下文对采样电路进行详细描述。上位机通讯单元用于实现主控单元与上位机进行实时通讯，在该方案中，上位机通讯单元包括一路485收发电路一路4-20mA模拟量输出电路。
超声波收发单元包括发送模块和接收模块、回波处理模块、计时模块，如图2所示，发送模块和接收模块均包括依次设置的驱动电路、收发为一体的超声波换能器、信号放大电路。回波处理模块的包括对应输入端口分别通过对应的开关电路与对应的驱动电路的输入端连接、对应的输出端口与信号放大电路的输出端连接。
如图2所示，所述发送模块和接收模块电路相同，所述发送模块的驱动电路包括变压器T1，变压器T1的第一输入端与电源驱动连接，第二输入端与开关电路连接，第一输出端依次经过第一限幅电路、滤波电路与对应的超声波换能器连接，第二输出端和滤波电路、超声换能器的另一端均与地连接，经过第一限幅电路的第一输出端经过电容C3和电阻R8后分别经过二极管D2和二极管D4与地连接，所述二极管D2和二极管D4反向并联，二极管D4的输入端经过电容C4作为发送模块中的第一信号放大电路的输入端。所述第一限幅电路由反向并联的肖特基二极管D1和肖特基二极管D2组成。
所述第一信号放大电路包括放大器U1，放大器U1为运算放大器，第一信号放大电路的输入端经过电阻R7与所述放大器U1的负输入端连接，并经过电容C10与地连接，第一电源经过电阻R40与放大器U1的正输入端连接，所述正输入端经过电阻R41与地连接；负输入端和输出端之间通过电阻R1连接，输出端经过电容C7作为第一信号放大电路的输出端RX2。在该实施例中，第一电源为3.3V。
所述电源驱动包括第二电源，所述第二电源经过电阻R3与变压器T1的第一输入端连接，第一输入端分别经过电解电容E1和电阻R6与地连接。所述第二电源根据电路需求，可以为12V也可以为24V。
所述发送模块的第一开关电路包括场效应管Q1,所述场效应管Q1的G极经过电阻R12与回波处理模块的端口TX1连接，G极与S极通过电阻R15连接，D极与变压器T1的第二输入端连接。
以上均为发送模块的电路，由于接收模块的电路和发送模块电路相同，在此不再赘述，详见图2。
如图5所示，采样电路包括放大器U10,放大器U10的负输入端一路依次经过电阻R100和电阻R101与采样端连接，另一路经过电容C100与放大器U10的输出端连接；电阻R100和电阻R101的连接点一路经过电容C101与地连接，另一路经过电阻R102与放大器U10的输出端连接，放大器U10的正输入端与地连接。
所述计时模块与回波处理模块对应引脚连接，具体如图3和图4所示，所述回波处理电路包括芯片U2，所述芯片U2的型号为TDC1000，所述计时模块包括芯片U4，所述芯片U4的型号为TDC7200。
如图3所示，所述回波处理电路还包括低通滤汳器FB1，第一电源经过低通滤汳器FB1与作为芯片U2的电源输入端的第23引脚和第24引脚连接，经过低通滤汳器FB2与芯片U2的第22引脚连接，第23引脚和第24引脚经过第一滤波电路与地连接，第22引脚经过第二滤波电路与地连接；
如图2和图3所示，发送模块的第一信号放大电路的输出端RX2与芯片U2的第1引脚连接，与所述发送模块连接的端口TX1为芯片U2的第26引脚，接收模块的第二信号放大电路的输出端RX1与芯片U2的第2引脚连接，所述端口TX1为芯片U2的第26引脚，与接受模块连接的端口TX2为芯片U2的第27引脚。
芯片U2的电源输入端经过调压电路与芯片U2的第3引脚连接。
所述调压电路包括与所述电源输入端连接的电阻R2的输出端分成两路，一路经过电阻R10与地连接，另一端经过电阻R5与芯片U2的第3引脚连接，第3引脚经过电容C8与第连接。
如图3和图4所示，所述计时模块中的所述芯片U4的第12引脚、第11引脚、第10引脚、第9引脚对应与芯片U2的第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚连接，所述芯片U4的第2引脚经过电阻R36、第3引脚经过电阻R35、第4引脚经过电阻R33对应与芯片U2的第16引脚、第13引脚、第14引脚连接，芯片U4的第8引脚经过电阻R34与第一电源连接，第5引脚作为芯片U4的输出端OSC_OUT。
在此描述的为关键引脚，为了电路能够正常工作还包括其他引脚的连接，比如图3B中的晶振电路，图3C为可编程增益放大器输出和回波鉴定和过零检测器输入关联电路，图3D为1Mhz配置的级间无源滤波器。
所述超声波换能器采用45度安装方式与时差式测量。
基于上述电路，可以测量流速，根据图6所示，流速的测量算法如下所述：
传播路径L＝D/sinα
顺流时间俥
逆流时间
顺逆流产生的时间差ΔT＝tBA-tAB(1.3)
其中：t1、t2表示时间，单位s；ΔT表示顺逆流时间差，单位s；L表示超声波发传播路径长度，单位m；α表示超声波与风速方向的夹角。本方案选取的是45度角。
本方案发送单元采用由U2芯片TX1引脚发出的192khz的脉冲波的3.3v电平脉冲，经过变压器T1输出的波形电压值约600Vpp，高压脉冲直接驱动超声波换能器A发出超声波。接收电路在超声波换能器B处接收到超声波后会将超声波转换成mV级电信号，经过U1放大信号可以得到几百mV的回波信号。
所述回波处理电路的第13引脚(start引脚)会产生开始计时脉冲信号。紧接着接收到的信号经过放大后的信号会被送进芯片U2的RX1引脚处理回波信号，并在第14引脚(stop引脚)产生计时结束脉冲信号。计时模块对上述的“开始计时脉冲信号”“计时结束脉冲信号”两个脉冲之间的时间间隔进行高精度计时。得到一次超声波换能器A发送到超声波换能器B接收的时间间隔。同样的从超声波换能器B发送到超声波换能器A接收的时间间隔，测量过程完全相同。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声波烟气流速测量电路，其特征在于，包括主控单元，与主控单元对应引脚连接的
超声波收发单元，包括发送模块和接收模块、回波处理模块、计时模块，发送模块和接收模块均包括依次设置的驱动电路、收发为一体的超声波换能器、信号放大电路；回波处理模块的包括对应输入端口分别通过对应的开关电路与对应的驱动电路的输入端连接、对应的输出端口与信号放大电路的输出端连接；所述计时模块与回波处理模块对应引脚连接；
显示单元，用于显示流速大小；
温度测量单元，用于测量通道内流体的温度；
压力测量单元，用于测量通过通道内流体经过时产生的压力；
上位机通讯单元，用于实现主控单元与上位机进行实时通讯。
2.根据权利要求1所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述发送模块和接收模块电路相同，所述发送模块的驱动电路包括变压器T1，变压器T1的第一输入端与电源驱动连接，第二输入端与开关电路连接，第一输出端依次经过第一限幅电路、滤波电路与对应的超声波换能器A连接，第二输出端和滤波电路、超声换能器的另一端均与地连接，经过第一限幅电路的第一输出端经过电容C3和电阻R8后分别经过二极管D2和二极管D4与地连接，所述二极管D2和二极管D4反向并联，二极管D4的输入端经过电容C4作为发送模块中的第一信号放大电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述第一信号放大电路包括放大器U1，第一信号放大电路的输入端经过电阻R7与所述放大器U1的负输入端连接，并经过电容C10与地连接，第一电源经过电阻R40与放大器U1的正输入端连接，所述正输入端经过电阻R41与地连接；负输入端和输出端之间通过电阻R1连接，输出端经过电容C7作为第一信号放大电路的输出端RX2。
4.根据权利要求3所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述电源驱动包括第二电源，所述第二电源经过电阻R3与变压器T1的第一输入端连接，第一输入端分别经过电解电容E1和电阻R6与地连接。
5.根据权利要求1所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述发送模块的第一开关电路包括场效应管Q1,所述场效应管Q1的G极经过电阻R12与回波处理模块的端口TX1连接，G极与S极通过电阻R15连接，D极与变压器T1的第二输入端连接。
6.根据权利要求1所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述回波处理电路包括芯片U2，所述芯片U2的型号为TDC1000，所述计时模块包括芯片U4，所述芯片U4的型号为TDC7200。
7.根据权利要求6所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述回波处理电路还包括低通滤汳器FB1，第一电源经过低通滤汳器FB1与作为芯片U2的电源输入端的第23引脚和第24引脚连接，经过低通滤汳器FB2与芯片U2的第22引脚连接，第23引脚和第24引脚经过第一滤波电路与地连接，第22引脚经过第二滤波电路与地连接；
发送模块的第一信号放大电路的输出端RX2与芯片U2的第1引脚连接，与所述发送模块连接的端口TX1为芯片U2的第26引脚，接收模块的第二信号放大电路的输出端RX1与芯片U2的第2引脚连接，所述端口TX1为芯片U2的第26引脚，与接受模块连接的端口TX2为芯片U2的第27引脚；
芯片U2的电源输入端经过调压电路与芯片U2的第3引脚连接；
所述调压电路包括与所述电源输入端连接的电阻R2的输出端分成两路，一路经过电阻R10与地连接，另一端经过电阻R5与芯片U2的第3引脚连接，第3引脚经过电容C8与第连接。
8.根据权利要求6所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述温度测量单元和压力测量单元还均包括采样电路，所述采样电路包括从采集芯片输出端到地之间串联的电阻R100和电阻R101,采样电路的输出端与电阻R100和电阻R101的连接点连接。
9.根据权利要求6所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述芯片U4的第12引脚、第11引脚、第10引脚、第9引脚对应与芯片U2的第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚连接，所述芯片U4的第2引脚经过电阻R36、第3引脚经过电阻R35、第4引脚经过电阻R33对应与芯片U2的第16引脚、第13引脚、第14引脚连接，芯片U4的第8引脚经过电阻R34与第一电源连接，第5引脚作为芯片U4的输出端OSC_OUT。
10.根据权利要求1所述的超声波烟气流速测量电路，其特征在于，所述超声波换能器采用45度安装方式与时差式测量。
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