CN117109677A - 矿用多声道超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量计技术领域，提出了矿用多声道超声波流量计，包括超声发射电路超声发射电路包括三极管Q1、三极管Q3、变压器T1、运放U1、变阻器RP1和超声发射探头P1，三极管Q1的发射极连接VCC电源，三极管Q1的集电极连接变压器T1的第一输入端，变压器T1的第二输入端接地，变压器T1的第一输出端连接超声发射探头P1的第一端，超声发射探头P1的第一端连接变阻器RP1的第一端，变阻器RP1的滑动端连接运放U1的同相输入端，运放U1的反相输入端连接Vref参考电压，运放U1的输出端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极接地，三极管Q3的集电极连接三极管Q1的基极。通过上述技术方案，解决了相关技术中超声波流量计的计量精度差的问题。

Description

矿用多声道超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量计技术领域，具体的，涉及矿用多声道超声波流量计。

背景技术

为了防范瓦斯类事故的发生，瓦斯抽采矿井必须配备瓦斯气体抽采监控计量系统，相较于传统的矿用气体流量计，超声波气体流量计具有无干扰、无污染、非接触式等优点，是瓦斯抽采检测的理想仪表。超声波气体流量计又分为单声道和多声道。相比单声道，多声道能够减少由管道内气体流速分布不均引起的问题，更适合瓦斯抽采计量领域。由于矿井的环境比较复杂，超声探头的电源在工作的过程中存在不稳定的情况，导致超声波流量计的计量精度差。

发明内容

本发明提出矿用多声道超声波流量计，解决了相关技术中超声波流量计的计量精度差的问题。

本发明的技术方案如下：

矿用多声道超声波流量计，包括主控单元、超声发射电路和超声接收电路，所述超声发射电路用于输出超声波信号，所述超声接收电路连接所述主控单元，所述超声发射电路包括三极管Q1、三极管Q3、变压器T1、运放U1、电阻R2、变阻器RP1和超声发射探头P1，

所述三极管Q1的发射极连接VCC电源，所述三极管Q1的集电极连接所述变压器T1的第一输入端，所述变压器T1的第二输入端接地，所述变压器T1的第一输出端连接所述超声发射探头P1的第一端，所述变压器T1的第二输出端接地，所述超声发射探头P1的第二端接地，

所述超声发射探头P1的第一端连接所述变阻器RP1的第一端，所述变阻器RP1的第二端接地，所述变阻器RP1的滑动端连接所述运放U1的同相输入端，所述运放U1的反相输入端连接Vref参考电压，所述运放U1的输出端通过所述电阻R2连接所述运放U1的反相输入端，所述运放U1的输出端连接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q3的基极接地，所述三极管Q3的集电极连接所述三极管Q1的基极。

进一步，本发明中所述超声发射电路还包括开关管Q2、变阻器RP2、电容C4和开关管Q4，所述开关管Q2的控制端连接所述主控单元的第一输出端，所述开关管Q2的第一端连接VCC电源，所述开关管Q2的第二端连接所述变阻器RP2的滑动端，所述变阻器RP2的第一端接地，所述变阻器RP2的第二端连接所述开关管Q4的控制端，所述电容C4的第一端连接所述变阻器RP2的滑动端，所述电容C4的第二端连接所述开关管Q4的控制端，所述开关管Q4的第一端连接所述变压器T1的第二端输入端，所述开关管Q4的第二端接地。

进一步，本发明中所述超声接收电路包括超声接收探头P2、电阻R9、运放U2、电阻R10和电阻R11，所述超声接收探头P2的第一端连接所述电阻R9的第一端，所述超声接收探头P2的第二端接地，所述电阻R9的第二端连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的同相输入端通过所述电阻R10接地，所述运放U2的输出端通过所述电阻R11连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中还包括滤波电路，所述滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、电阻R14、运放U3、电阻R15和电阻R16，所述电阻R12的第一端连接所述运放U2的输出端，所述电阻R12的第二端通过所述电容C6接地，所述电阻R12的第二端连接所述电容C7的第一端，所述电容C7的第二端通过所述电阻R13接地，所述电容C7的第二端连接所述运放U3的同相输入端，所述运放U3的反相输入端通过所述电阻R14接地，所述运放U3的输出端通过所述电阻R15连接所述运放U3的反相输入端，所述运放U3的输出端通过所述电阻R16连接所述电阻R12的第二端，所述运放U3的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中所述运放U3的输出端和所述主控单元的第一输入端之间还设有整形电路，所述整形电路包括电容C8、电阻R17、电阻R18和运放U4，所述电容C8连接所述运放U3的输出端，所述电容C8的第二端连接所述运放U4的同相输入端，所述电阻R17的第一端连接5V电源，所述电阻R17的第二端通过所述电阻R18接地，所述电阻R17的第二端连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中还包括温度检测电路，所述温度检测电路包括电阻R20、稳压管D6、热敏电阻RT、电阻R21、运放U5和电阻R22，所述电阻R20的第一端连接5V电源，所述电阻R20的第二端连接所述稳压管D6的阴极，所述稳压管D6的阳极接地，所述热敏电阻RT的第一端连接5V电源，所述热敏电阻RT的第二端通过所述电阻R21接地，所述电阻R20的第二端连接所述运放U5的反相输入端，所述热敏电阻RT的第二端连接所述运放U5的同相输入端，所述运放U5的输出端通过所述电阻R22连接所述运放U5的反相输入端，所述运放U5的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，超声发射电路用于发射超声波信号，超声接收电路用于接收超声回波信号，并将接收到的超声回波信号转为电信号送至主控单元，主控单元可以根据超声波在流体中顺流方向和逆流方向的传播时间差来计算瓦斯的流量。

超声发射电路的工作原理为：上电时，三极管Q1的基极为低电平，三极管Q1导通，VCC电源经三极管Q1后加至变压器T1的第一输入端，变压器T1为升压变压器，将电压抬升后送至超声发射探头P1的第一端，超声发射探头P1发射出超声波信号。

由于矿井生产的环境复杂，VCC电源在工作的过程中会出现浮动，导致变压器T1输出的低压也会发生变化，从而导致超声发射探头P1发射出超声波信号的强度发生变化，最终导致矿井中瓦斯流量检测的精度变差。

为此，超声发射探头P1工作时，变阻器RP1用于采集加至超声发射探头P1上的电压，变阻器RP1的滑动端作为采样端送至运放U1的同相输入端，运放U1的反相输入端作为参考开端，连接Vref参考电压，运放U1构成减法电路。当加在超声发射探头P1第一端的电压变大时，运放U1同相输入端的电压变大，则运放U1的输出电压变大，流过三极管Q3集电极的电流变大，三极管Q1的基极电流就会变大，三极管Q1的管压降变大，从而使三极管Q1集电极的输出电压降低，变压器T1的输入线圈上的电压就会降低，因此，变压器T1输出线圈上电压就会降低，抑制超声发射探头P1第一端的电压变大；当加在超声发射探头P1第一端的电压变小时，运放U1同相输入端的电压减小，则运放U1的输出电压就会减小，流过三极管Q3集电极的电流变小，三极管Q1的基极电流就会变小，三极管Q1的管压降减小，从而使三极管Q1集电极的输出电压变大，变压器T1的输入线圈上的电压就会变大，所以变压器T1输出线圈上电压就会变大，抑制超声发射探头P1第一端的电压变小，保证加在超声发射探头P1第一端的电压稳定不变，从而使超声发射探头P1输出的超声波信号的强度稳定不变，提高超声波流量计的计量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中超声发射电路的电路图；

图2为本发明中超声接收电路的电路图；

图3为本发明中滤波电路的电路图；

图4为本发明中整形电路的电路图；

图5为本发明中温度检测电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了矿用多声道超声波流量计，包括主控单元、超声发射电路和超声接收电路，超声发射电路用于输出超声波信号，超声接收电路连接主控单元，超声发射电路包括三极管Q1、三极管Q3、变压器T1、运放U1、电阻R2、变阻器RP1和超声发射探头P1，三极管Q1的发射极连接VCC电源，三极管Q1的集电极连接变压器T1的第一输入端，变压器T1的第二输入端接地，变压器T1的第一输出端连接超声发射探头P1的第一端，变压器T1的第二输出端接地，超声发射探头P1的第二端接地，超声发射探头P1的第一端连接变阻器RP1的第一端，变阻器RP1的第二端接地，变阻器RP1的滑动端连接运放U1的同相输入端，运放U1的反相输入端连接Vref参考电压，运放U1的输出端通过电阻R2连接运放U1的反相输入端，运放U1的输出端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极接地，三极管Q3的集电极连接三极管Q1的基极。

本实施例中，超声发射电路用于发射超声波信号，超声接收电路用于接收超声回波信号，并将接收到的超声回波信号转为电信号送至主控单元，主控单元可以根据超声波在流体中顺流方向和逆流方向的传播时间差来计算瓦斯的流量。

具体的，超声发射电路的工作原理为：上电时，三极管Q1的基极为低电平，三极管Q1导通，VCC电源经三极管Q1后加至变压器T1的第一输入端，变压器T1的第一输入端和变压器T1的第二输入端构成输入线圈，变压器T1的第一输出端和变压器T1的第二输出端构成输出线圈，变压器T1为升压变压器，将电压抬升至300V并送至超声发射探头P1的第一端，超声发射探头P1发射出超声波信号。

由于矿井生产的环境复杂，VCC电源在工作的过程中会出现浮动，导致变压器T1输出的低压也会发生变化，从而导致超声发射探头P1发射出超声波信号的强度发生变化，最终导致矿井中瓦斯流量检测的精度变差。

为此，超声发射探头P1工作时，变阻器RP1用于采集加至超声发射探头P1上的电压，变阻器RP1的滑动端作为采样端送至运放U1的同相输入端，运放U1的反相输入端作为参考开端，连接Vref参考电压，运放U1构成减法电路。当加在超声发射探头P1第一端的电压变大时，运放U1同相输入端的电压变大，则运放U1的输出电压变大，流过三极管Q3集电极的电流变大，三极管Q1的基极电流就会变大，三极管Q1的管压降变大，从而使三极管Q1集电极的输出电压降低，变压器T1的输入线圈上的电压就会降低，因此，变压器T1输出线圈上电压就会降低，抑制超声发射探头P1第一端的电压变大；

当加在超声发射探头P1第一端的电压变小时，运放U1同相输入端的电压减小，则运放U1的输出电压就会减小，流过三极管Q3集电极的电流变小，三极管Q1的基极电流就会变小，三极管Q1的管压降减小，从而使三极管Q1集电极的输出电压变大，变压器T1的输入线圈上的电压就会变大，所以变压器T1输出线圈上电压就会变大，抑制超声发射探头P1第一端的电压变小，保证加在超声发射探头P1第一端的电压稳定不变，从而使超声发射探头P1输出的超声波信号的强度稳定不变，提高超声波流量计的计量精度。

如图1所示，本实施例中超声发射电路还包括开关管Q2、变阻器RP2、电容C4和开关管Q4，开关管Q2的控制端连接主控单元的第一输出端，开关管Q2的第一端连接VCC电源，开关管Q2的第二端连接变阻器RP2的滑动端，变阻器RP2的第一端接地，变阻器RP2的第二端连接开关管Q4的控制端，电容C4的第一端连接变阻器RP2的滑动端，电容C4的第二端连接开关管Q4的控制端，开关管Q4的第一端连接变压器T1的第二端输入端，开关管Q4的第二端接地。

为了满足多声道超声波流量计能够在不同的工况下应用，本实施例中的超声发射电路还加入了开关管Q2、变阻器RP2、电容C4和开关管Q4，开关管Q2、变阻器RP2、电容C4和开关管Q4构成超声强度控制电路。

工作时，主控单元输出PWM控制信号，当PWM控制信号为高电平时，开关管Q2截止，开关管Q4的控制端为低电平，开关管Q4截止，变压器T1的输入端线圈没有电压产生，因此，变压器T1的输出线圈也没有电压，超声发射探头P1不工作；当PWM控制信号为低电平时，开关管Q2导通，变阻器RP2上产生电压，这时开关管Q4的控制端为高电平，开关管Q导通，VCC电源依次经三极管Q1、变压器T1的输入线圈和开关管Q4后接地形成回路，变压器T1的输出线圈产生300V高压信号并加至超声发射探头P1，这时超声发射探头P1发射出超声波信号。通过改变主控单元输出PWM控制信号的占空比，即可改变超声发射探头P1发射超声波信号的强度，从而满足多声道超声波流量计能够在不同的工况下工作，提高多声道超声波流量计的适用性。

其中电容C4用于提高开关管Q4的开关速度，提高超声发射电路的工作性能。

如图2所示，本实施例中超声接收电路包括超声接收探头P2、电阻R9、运放U2、电阻R10和电阻R11，超声接收探头P2的第一端连接电阻R9的第一端，超声接收探头P2的第二端接地，电阻R9的第二端连接运放U2的反相输入端，运放U2的同相输入端通过电阻R10接地，运放U2的输出端通过电阻R11连接运放U2的反相输入端，运放U2的输出端连接主控单元的第一输入端。

超声接收电路中，超声接收探头P2用于接收超声回波信号，并将超声回波信号转为电信号输出，但超声接收探头P2输出的电信号比较微弱，需要对其进行放大处理。运放U2构成了放大电路，用于放大超声接收探头P2输出的电信号，然后将放大后的电信号送至主控单元。

进一步，超声接收电路还包括电容C5、电阻R8、二极管D2、稳压管D3、稳压管D4和二极管D5，电容C5的第一端连接超声接收探头P2第一端，电容C5的第二端连接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端连接电阻R9的第一端，电阻R8的第二端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接稳压管D3的阴极，稳压管D3的阳极接地，稳压管D4的阳极连接电阻R8的第二端，稳压管D4的阴极连接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接地。

超声接收探头P2接收的信号中不仅有微弱的超声回波信号，还夹杂着高压窄脉冲信号。高压窄脉冲信号会对超声接收电路的工作造成影响，严重的话超声接收电路会被高压发射脉冲所击毁，因此，本实施例在超声接收探头P2的后级加入了保护电路。

保护电路由电容C5、电阻R8、二极管D2、稳压管D3、稳压管D4和二极管D5构成，电阻R8起限流作用，电容C5用于过滤直流信号，当超声接收探头P2输出的信号过大时，二极管D2导通，稳压管D3反相击穿，当超声接收探头P2输出的信号过小时，二极管D5导通，稳压管D4反相击穿，起到限幅保护的作用，防止高压发射脉冲进入后级电路。

如图3所示，本实施例中还包括滤波电路，滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、电阻R14、运放U3、电阻R15和电阻R16，电阻R12的第一端连接运放U2的输出端，电阻R12的第二端通过电容C6接地，电阻R12的第二端连接电容C7的第一端，电容C7的第二端通过电阻R13接地，电容C7的第二端连接运放U3的同相输入端，运放U3的反相输入端通过电阻R14接地，运放U3的输出端通过电阻R15连接运放U3的反相输入端，运放U3的输出端通过电阻R16连接电阻R12的第二端，运放U3的输出端连接主控单元的第一输入端。

超声接收探头P2在接收超声回波信号的同时，还会接收到一些干扰脉冲以及噪声信号，这些信号将会影响电路的检测精度，因此，需要将这些干扰信号滤除。

电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、电阻R14、运放U3、电阻R15和电阻R16构成了带通滤波器，用于滤除运放U2输出信号中的高频干扰以及噪声信号。

如图4所示，本实施例中运放U3的输出端和主控单元的第一输入端之间还设有整形电路，整形电路包括电容C8、电阻R17、电阻R18和运放U4，电容C8连接运放U3的输出端，电容C8的第二端连接运放U4的同相输入端，电阻R17的第一端连接5V电源，电阻R17的第二端通过电阻R18接地，电阻R17的第二端连接运放U4的反相输入端，运放U4的输出端连接主控单元的第一输入端。

本实施例中，根据电路的需求，需要将超声回波信号转为主控单元识别的高低电平中断请求信号，因此，还需要对滤波后的超声回波信号进行整形为方波信号。因此，本实施例在运放U3的输出端和主控单元的第一输入端之间设置了整形电路。

电阻R17和电阻R18构成分压电压，取电阻R18上的电压作为参考电压加至运放U4的反相输入端，运放U3输出的电信号经电容C8滤波后送至运放U4的同相输入端，运放U4构成比较器，运放U3输出的电信号和运放U3反相输入端的参考电压进行比较后输出方波信号，最终将该方波信号送至主控单元的第一输入端。

如图5所示，本实施例中还包括温度检测电路，温度检测电路包括电阻R20、稳压管D6、热敏电阻RT、电阻R21、运放U5和电阻R22，电阻R20的第一端连接5V电源，电阻R20的第二端连接稳压管D6的阴极，稳压管D6的阳极接地，热敏电阻RT的第一端连接5V电源，热敏电阻RT的第二端通过电阻R21接地，电阻R20的第二端连接运放U5的反相输入端，热敏电阻RT的第二端连接运放U5的同相输入端，运放U5的输出端通过电阻R22连接运放U5的反相输入端，运放U5的输出端连接主控单元的第二输入端。

超声波的传播速度受温度影响，本实施例中加入了温度检测电路，作用是实时检测超声波所处的环境温度，从而获得更加真实时的超声波传送速度。

具体的，温度检测电路的工作原理为：电阻R20和稳压管D6构成稳压电路，稳定后的电压作为参考电压加至运放U5的反相输入端，热敏电阻RT用于检测环境温度，随着环境温度变化，热敏电阻RT的阻值也会发生变化，则运放U5同相输入端的电压就会发生变化，运放U5构成放大电路，放大后的电信号送至主控单元的第二输入端，主控单元根据运放U5输出的电信号的大小即可判断环境的温度值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.矿用多声道超声波流量计，其特征在于，包括主控单元、超声发射电路和超声接收电路，所述超声发射电路用于输出超声波信号，所述超声接收电路连接所述主控单元，所述超声发射电路包括三极管Q1、三极管Q3、变压器T1、运放U1、电阻R2、变阻器RP1和超声发射探头P1，

所述三极管Q1的发射极连接VCC电源，所述三极管Q1的集电极连接所述变压器T1的第一输入端，所述变压器T1的第二输入端接地，所述变压器T1的第一输出端连接所述超声发射探头P1的第一端，所述变压器T1的第二输出端接地，所述超声发射探头P1的第二端接地，

所述超声发射探头P1的第一端连接所述变阻器RP1的第一端，所述变阻器RP1的第二端接地，所述变阻器RP1的滑动端连接所述运放U1的同相输入端，所述运放U1的反相输入端连接Vref参考电压，所述运放U1的输出端通过所述电阻R2连接所述运放U1的反相输入端，所述运放U1的输出端连接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q3的基极接地，所述三极管Q3的集电极连接所述三极管Q1的基极。

2.根据权利要求1所述的矿用多声道超声波流量计，其特征在于，所述超声发射电路还包括开关管Q2、变阻器RP2、电容C4和开关管Q4，所述开关管Q2的控制端连接所述主控单元的第一输出端，所述开关管Q2的第一端连接VCC电源，所述开关管Q2的第二端连接所述变阻器RP2的滑动端，所述变阻器RP2的第一端接地，所述变阻器RP2的第二端连接所述开关管Q4的控制端，所述电容C4的第一端连接所述变阻器RP2的滑动端，所述电容C4的第二端连接所述开关管Q4的控制端，所述开关管Q4的第一端连接所述变压器T1的第二端输入端，所述开关管Q4的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的矿用多声道超声波流量计，其特征在于，所述超声接收电路包括超声接收探头P2、电阻R9、运放U2、电阻R10和电阻R11，所述超声接收探头P2的第一端连接所述电阻R9的第一端，所述超声接收探头P2的第二端接地，所述电阻R9的第二端连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的同相输入端通过所述电阻R10接地，所述运放U2的输出端通过所述电阻R11连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

4.根据权利要求3所述的矿用多声道超声波流量计，其特征在于，还包括滤波电路，所述滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、电阻R14、运放U3、电阻R15和电阻R16，所述电阻R12的第一端连接所述运放U2的输出端，所述电阻R12的第二端通过所述电容C6接地，所述电阻R12的第二端连接所述电容C7的第一端，所述电容C7的第二端通过所述电阻R13接地，所述电容C7的第二端连接所述运放U3的同相输入端，所述运放U3的反相输入端通过所述电阻R14接地，所述运放U3的输出端通过所述电阻R15连接所述运放U3的反相输入端，所述运放U3的输出端通过所述电阻R16连接所述电阻R12的第二端，所述运放U3的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

5.根据权利要求4所述的矿用多声道超声波流量计，其特征在于，所述运放U3的输出端和所述主控单元的第一输入端之间还设有整形电路，所述整形电路包括电容C8、电阻R17、电阻R18和运放U4，所述电容C8连接所述运放U3的输出端，所述电容C8的第二端连接所述运放U4的同相输入端，所述电阻R17的第一端连接5V电源，所述电阻R17的第二端通过所述电阻R18接地，所述电阻R17的第二端连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

6.根据权利要求1所述的矿用多声道超声波流量计，其特征在于，还包括温度检测电路，所述温度检测电路包括电阻R20、稳压管D6、热敏电阻RT、电阻R21、运放U5和电阻R22，所述电阻R20的第一端连接5V电源，所述电阻R20的第二端连接所述稳压管D6的阴极，所述稳压管D6的阳极接地，所述热敏电阻RT的第一端连接5V电源，所述热敏电阻RT的第二端通过所述电阻R21接地，所述电阻R20的第二端连接所述运放U5的反相输入端，所述热敏电阻RT的第二端连接所述运放U5的同相输入端，所述运放U5的输出端通过所述电阻R22连接所述运放U5的反相输入端，所述运放U5的输出端连接所述主控单元的第二输入端。