CN203758642U - 一种高精度宽量程的分体式多声道超声波温度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精度宽量程的分体式多声道超声波温度计，包括超声波换能器、超声波换能器驱动电路、通道切换电路、超声波回波信号处理电路和接口电路。超声波换能器是由多对两两相对安装在容器上。通道切换电路是对换能器组中的换能器与驱动电路之间的连接通道进行切换。超声波换能器驱动电路驱动换能器发出超声波，超声波回波信号处理电路精密测量超声波在相对安装在容器壁上的换能器之间的传播时间。由于超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，测出超声波在容器中不同温度下的传播时间就可以实现温度的测量。超声波在同一介质中的传播速度很容易受到温度变化的影响，且对温度变化十分敏感，采用高精度超声波传输时间测量电路和算法，可以实现高精度温度测量。

Description

一种高精度宽量程的分体式多声道超声波温度计

技术领域

本实用新型属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种用超声波技术和分布式测头精密测量温度的温度计。

背景技术

超声波的显著特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，方向性好，能够定向传播，传播时遇到杂质或分界面就会有显著的反射。随着电子技术的发展，超声波技术越来越多的应用于温度等的精密测量。

超声波在介质中传播时，传播速度随温度、压强等状态参量的变化而变化。超声波在气体中传播时传播速度每秒约数百米，随温度升高而增大，0℃时空气中音速为331.4米／秒，15℃时为340米／秒，温度每升高1℃，音速约增加0.6米／秒。测得传输距离不变时超声波在不同温度下的传播时间，就可以测得温度。例如，20℃时超声波的速度是344米／秒，21℃时超声波的速度是344.6米／秒，如果超声波的传输距离是0.3米，则在20℃时超声波的传输时间是8.7209×10^-4秒，在21℃时超声波的传输时间是8.7057×10^-4秒，在21℃时和20℃时超声波的传输时间差为1.52×10^-6秒。要保证测量达到0.001℃的测量分辨率，要求超声波传输时间测量的分辨率要达到1～2纳秒才能实现。如果用常规的定时计数电路测量超声波的传输时间，则时钟电路的频率至少要达到1G，这对于仪器开发来讲显然很难实现。

目前已有的整体式超声波温度计由超声波温度传感器和电路两部分组成。超声波温度传感器由换能器安装在充满介质的容器中而构成。测量时将超声波温度传感器放置到被测对象中，获得检测结果。这种超声波温度计使用比较方便，但是对于大型空间或容器中物质的温度测量，如大型锅炉、反应釜中的高温液体温度测量，这种温度计不适用。一是在大型容器的温度测量中，这种温度计只能安装在容器壁上和容器顶部，只能测量容器中被测介质表面的几个点的温度值，即只能测得局部的温度值，无法测量被测介质内部的温度，不能准确有效地测得容器中被测介质的温度；二是由于超声波温度传感器是整体放置到被测介质中的，对传感器材质的耐高温性能和耐腐蚀性等有很到要求，这就限制了温度计的适应范围。

发明内容

本实用新型针对上述问题,公开了一种测量分辨率可达0.001℃的分体式多声道超声波温度计，让超声波穿过大型容器中的被测介质传播，根据超声波在同一介质中不同温度下的传播速度不同的物理现象，在保证测量实时性的前提下实现纳秒级超声波传输时间的测量，即可实现高精度宽量程的温度测量。

本实用新型采用的技术方案是：

一种高精度宽量程分体式多声道超声波温度计，用于实现测量分辨率优于0.001℃的精密温度测量。所述温度计具有超声波换能器和电路部分。

超声波换能器采用多对，作为测量头，每对两个超声波换能器两两相对安装在尺寸较大的装有被测介质的容器上，不与被测介质接触。每一对的超声波换能器中一个用于发射超声波，一个用于接收超声波，全部超声波换能器组中的所有用于发射超声波的换能器构成发射换能器组E1，用于接收超声波的换能器构成接收换能器组E2。换能器是压电式传感器，可以把具有一定能量的电信号转换为机械振动，也可以把机械振动转换为电信号。当信号的频率在超声波的频率范围内时，超声波换能器把电信号转换为超声波信号，当超声波信号作用到换能器上时，换能器把超声波信号转换为电信号，该信号可以称之为超声波回波信号。

电路部分主要包括超声波换能器驱动电路、通道切换电路、滤波电路、放大电路和信号处理电路。通道切换电路连接发射换能器组E1，接收换能器组E2连接滤波电路。

所述超声波换能器驱动电路包括数模转换器（D/A）和功率放大电路。数模转换器（D/A）用于把FPGA发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路用于放大该正弦信号的功率，使之有足够的能量驱动超声波发射换能器组E1中的换能器。

所述通道切换电路是对发射换能器组E1中的换能器与驱动电路之间的连接通道进行切换。当驱动信号传输到通道切换电路时，通道切换电路进行通道切换，使得驱动信号逐一轮流驱动发射换能器组E1中的换能器，使换能器将输入信号转换成机械振动产生超声波。

所述信号处理电路主要有模数转换器（A/D）、现场可编程门列阵（FPGA）和中央处理单元（CPU）组成。FPGA主要功能有两个：第一个功能是在CPU的控制下产生数字正弦信号，该信号经D/A转换器转换成模拟信号，并经功率放大电路放大后通过通道切换电路的通道切换逐个轮流驱动超声波换能器组E1中的换能器。第二个功能是完成超声波回波信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内，即通过A/D转换器把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入FPGA。

即现场可编程门阵列FPGA同时采样输出的正弦波驱动信号和输入的超声波回波信号，并将采样数据存放在内存中；中央处理单元CPU从现场可编程门阵列FPGA内存中读取采样数据，通过细分插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻；然后，根据输出的正弦波驱动信号确定超声波传播时间起点所对应的时刻，从而精确确定超声波在两个相对安装的换能器之间的传输时间，最后CPU根据超声波在两个换能器之间的不同传输时间精确确定温度值，并计算所有换能器组的平均温度值。

本温度计的工作原理：超声波驱动电路发出一定数量的周期性正弦信号，该信号作用到超声波换能器组E1中的换能器后会激发该换能器产生超声波，当该超声波信号在介质中传播到达超声波换能器组E2中与之相对应的换能器后，激励超声波换能器组E2中与之相对应的换能器产生超声波回波信号，回波信号的幅值随着换能器接收到的超声波信号的连续激励而逐渐增大，当激励信号停止时，换能器的机械振动在惯性的作用下仍然会持续并逐渐衰减，回波信号的幅值也逐渐减小，因此超声波回波信号是一个变幅周期性信号，其周期对应于超声波信号的周期。回波信号幅值最大的那个周期对应于超声波换能器组E1中的换能器最后发出的那个超声波信号的周期。

超声波的传播时间就是换能器组E1中的换能器发出的超声波信号上的任意一点与换能器组E2中与之对应的换能器接收到的回波信号上相对应的那一点之间的时间间隔。超声波传输时间测量的关键是确定传播时间的起点和终点。传播时间的起点可以是换能器发出的超声波信号上特定所对应的时刻，时间的终点是回波信号上与超声波信号特征点相对应的那一点所对应的时刻。

回波信号是一个变幅值周期性信号，其波形中最有特征的波是幅值最大的那个波，可以称之为特征波，特征波对应于超声波信号的最后一个波。在特征波中，最有特征的点是过零点和峰值点，可以选择过零点作为回波信号的特征点。特征点对应的时刻就是传播时间的终点，与之相对应，超声波信号波形中最后那个波的过零点所对应的时刻可以确定为传播时间的起点。

由于超声波信号是FPGA在CPU的控制下产生的，传播时间的起点，也就是超声波信号最后那个波的过零点对应的时刻很容易由CPU精确确定，其精度取决于FPGA的运行频率。

传播时间的终点，也就是回波信号特征波中过零点所对应的时刻通过细分插补算法来确定。细分插补算法根据FPGA中存储的超声波回波的A/D采样信号首先确定回波信号中峰值幅值最大的那个周期内的波形；然后确定过零点前后两个采样点（一个比零大，一个比零小）所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的方法对采样点进行细分插补，确定回波信号过零点所对应的时刻，即超声波传播时间终点所对应的时刻，其精度主要取决于A/D采样的分辨率。

本实用新型提出的分体式多声道超声波温度计的工作过程如下：

超声波换能器组E1中的换能器与超声波换能器组E2中的换能器两两相对安装在装有被测介质的容器上，中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FPGA输出正弦波驱动信号，让信号依次通过D/A转换电路和功率放大电路传输至通道切换电路，通道切换电路进行通道切换，使得驱动信号发射驱动换能器组E1中的一个换能器，使该换能器将输入信号转换成机械振动产生超声波。

超声波接收换能器组E2中与之对应的换能器接收从所述超声波发射换能器组E1中的换能器所发出的超声波信号，并输出超声波回波信号，由滤波电路对超声波接收换能器组E2中的换能器所发出的超声波回波信号进行滤波，再由放大电路进行放大后，由A/D转换电路对回波信号进行采样，采样数据先存储在构造于FPGA内的存储区内。

当采样完成后，中央处理单元CPU首先根据FPGA发射超声波的数据确定超声波传播时间起点所对应的时刻，然后从FPGA内读取超声波回波信号的A/D采样数据，采用细分插补算法精确计算出超声波这传播时间终点所对应的时刻，进而精确确定超声波在两个相对安装的换能器之间的传输时间。CPU根据超声波在两两相对安装的换能器之间的不同传输时间就可确定一个温度值。

然后，通道切换电路进行通道切换使得超声波驱动电路得以驱动换能器组E1中的下一个换能器，并完成又一次的超声波信号的发射和接收以及超声波回波信号的数据采集。CPU根据采集到的数据计算出超声波在这对两两相对安装的换能器之间的传输时间，并根据该传输时间得到一个新的温度值。通过通道切换电路进行通道切换，超声波驱动电路逐个轮流驱动换能器组E1中的换能器，实现超声波在两两安装的换能器间的发射和接收，从而可以得到多个温度值，最后CPU对这几个温度值求平均就能得出最后的温度值。

本实用新型由于采用分体式测量头，安装在被测介质容器的外侧，超声波穿过容器中的被测介质传播，可以精确测量被测介质的温度，并且测量头不与高温被测介质接触，降低了对其材质的要求。同时采用多对测量头均匀布置在被测对象的各个方位，由此获取多个位置的温度值，取其平均值。采用基于FPGA的硬件电路和特殊的软件细分算法，可以使超声波传输时间的测量达到纳秒级精度，从而实现分辨率优于0.001℃的高精度温度测量，能保证很好的实时性。

本实用新型可广泛的用于高精度宽量程的精密温度测量和控制等领域，如炼钢炉、大型锅炉、化学反应釜等。

附图说明

图1a和图1b是超声波换能器组的安装示意图；

图2是高精度宽量程分体式多声道超声波温度计结构框图；

图3是加在超声波换能器组E1（E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄）上的驱动信号示意图；

图4是超声波换能器组E2（E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄）上接受到的超声波回波信号示意图；

图5是获得测量超声波传输时间的原理示意图；

图6a和图6b是确定超声波传播时间终点所对应时刻的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。

参见图1a和图1b，是分体式四声道超声波温度计的结构示意图。四对超声波换能器（E₁₁与E₂₁、E₁₂与E₂₂、E₁₃与E₂₃、E₁₄与E₂₄）分别相对安装在装有被测介质的圆柱型容器外壁上，位置要低于被测介质的高度，以便于超声波穿过被测介质。其中换能器E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄用于发射超声波信号，换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄用于接收超声波回波信号。图1a为超声波换能器组的安装俯视图，图1b为超声波换能器组的安装主视图。

参见图2，本温度计主要超声波发射换能器组E111（E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄）、超声波接收换能器组E212（E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄），中央处理单元CPU20,现场可编程门列阵FPGA19，A/D转换电路18，放大电路17，滤波电路16，功率放大电路15、D/A转换电路14、通道切换电路13、显示电路21和键盘电路22等构成。

超声波发射换能器组E111、接收换能器组E212相对安装在装有被测介质的圆柱型容器10外壁上。显示电路21用于显示CPU20计算出的温度值，键盘电路22用于向输入温度计的参数及操作人员的权限。

参见图3，是加在超声波发射换能器组E1中的换能器E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄上的驱动信号，它是在FPGA中产生的数字正弦信号经D/A转换电路转换成模拟正弦信号，然后再经功率放大电路放大而成，图中的V代表信号的电压，t代表时间。该信号的频率为1MHz，电压约10V，电流约1.5A，具有约15瓦的电能，足以驱动超声波换能器组E1中的换能器E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄将电能转换为机械能，发出超声波信号。

参见图4，是在超声波接收换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄上输出的超声波回波信号，图中的V代表信号的电压，t代表时间。换能器组E1中的换能器E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄发出的超声波信号经过一定的传播时间后传播到换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄上时，接收换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄将超声波信号的机械能转换为电能，输出超声波回波信号。接收换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄输出的电信号在超声波没有传播到接收换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄上以前，幅值为零，接收换能器组E2中的换能器E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄接收到超声波信号后，输出的电信号幅值逐渐增加，然后逐渐减小衰减至零，是一个变幅周期信号，幅值最大的那个波对应于超声波信号的最后一个波。超声波回波信号的频率取决于超声波信号的频率，也是1MHz。

参见图5，CPU20向FPGA19中的同步电路432发出开始采样命令后，FPGA19启动对超声波发射换能器组E111中的换能器的驱动和对超声波接收换能器组E212中的换能器输出信号的采样。

构建于FPGA19内的数字正弦信号发生器431发送频率为1MHz的8个周期的正弦信号，该信号经过D/A转换电路14转换为模拟信号，再经功率放大电路15放大后，通过通道切换电路13的通道切换后逐个轮流加载在发射换能器组E111中的一个换能器上，使其发出超声波信号。接收换能器组E212中的换能器输出的电信号经过滤波电路16滤波后，经过运算放大电路17放大后连接到A/D转换电路18。FPGA19内部的采样电路433控制A/D转换电路18将模拟信号转换为数字信号，并把采样值逐一存入构建于FPGA19内的RAM存储区434中。采样完成后，FPGA19向CPU20发送采样结束状态信息，CPU20接收到采样结束状态信息后，结束一次采样。

采样结束后，CPU20首先根据FPGA内的数字正弦信号发生器431的数据精确确定超声波信号中起点所对应的时刻T_QD。

然后CPU20发出读数据命令，读取暂存于RAM存储区434中的数据，精确计算超声波传播时间终点所对应的时刻。

超声波传输时间终点所对应的时刻是通过对回波信号所有采样数据用细分插补算法进行分析和计算而实现的。参见图6a，分析超声波接收换能器组E2中的换能器输出的超声波回波信号可知，为保证测量的重复性，应该在峰值幅值最大的波形中提取超声波传输时间的终点。在这个波形的整周期内，最明显的两个特征点是峰值点和过零点，把过零点确定为回波信号的时间参考点更容易获得高精度。

参见图6a，本实用新型的超声波传输时间终点所对应的时刻的计算方法是：

首先逐点比较A/D采样点，找出采样点的最大值就可以很容易的确定幅值最大的波形，可以把这一波形称之为特征值波形；

其次，参见图6b，确定超声波传输时间终点所对应的过零点P₀前面一个采样点P和后面一个采样点P₁，显然在特征波内采样点P的采样值大于零，采样点P₁的采样值小于零；

最后，以采样点P和P₁两点对应的时刻作为基准，用细分插补算法可以准确计算出过零点P₀所对应的时刻，具体计算方法如下：

设A/D的采样频率为F_A/D，相邻两个采样点之间的时间即采样周期为T_A/D；从第一个采样点到采样点P之间的采样数为N，采样点P对应的采样值为V₁，采样点P所对应的时刻为T₁；采样点P₁对应的采样值为V₂；采样点P所对应的时刻为T₁，采样点P与过零点P₀之间的时间为T₂，过零点P₀对应的时刻为T_ZD，超声波的传输时间为T，则：

$T_{A/D}=\frac{1}{F_{A/D}}$

$T_1=N\×\frac{1}{F_{A/D}}$

在过零点附近较小的区域内，正弦波的波形接近于直线，可以根据直线插补的方法确定T₂：

$T_2=\frac{1}{|V_2-V_1|}\×V_1\×T_{A/D}$

则过零点所对应的时刻，即超声波传输时间终点所对应的时刻为：

$T_{\mathrm{ZD}}=T_1+T_2=N\×\frac{1}{F_{A/D}}+\frac{1}{|V_2-V_1|}\×T_{A/D}\×V_1$

从上式可知，超声波传输时间终点所对应时刻的分辨率为：

$R=\frac{1}{|V_2-V_1|}\×T_{A/D}$

参见图6b，假设超声波回波信号的频率为1MHz，则周期为1us；A/D的分辨率是12位，那么可以将信号的幅值分为4096份，设A/D的采样频率为32MHz，则在正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内，可以最多采16个点，如果把正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形看作是直线，则显然可知：

$|V_2-V_1|=\frac{4096}{16}=256$

观察正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形可以看出，过零点附近曲线的斜率远大于峰值附近曲线的斜率，则

|V₂-V₁|＞256

$R=\frac{1}{|V_2-V_1|}\&times;T_{A/D}<\frac{1}{256}\&times;T_{A/D}=\frac{1}{256}\&times;\frac{1}{32}\&times;1\mathrm{\&mu;s}=0.122\mathrm{ns}$

参见图6，超声波的传输时间为：

$T=T_{\mathrm{ZD}}-Y_{\mathrm{QD}}=N\&times;\frac{1}{F_{A/D}}+\frac{1}{{|V_2-V|}_1}\&times;T_{A/D}\&times;V_1-T_{\mathrm{QD}}$

由于超声波传输时间起点所对应的时刻可以精确确定，则超声波传输时间测量的分辨率取决于超声波传输时间终点所对应时刻的分辨率，故超声波传输时间测量的分辨率小于0.122纳秒。安装在圆柱型容器上多对两个相互对应的换能器E₁₁与E₂₁、E₁₂与E₂₂、E₁₃与E₂₃、E₁₄与E₂₄之间的距离均是固定的，测得超声波在不同温度下在两个相互对应的换能器E₁₁与E₂₁、E₁₂与E₂₂、E₁₃与E₂₃、E₁₄与E₂₄之间的传播时间，就可以计算出四个与之相对应温度值，对这四个温度值求平均得到的结果就是最终的温度值。例如，20℃时超声波在气体中的速度是344米／秒，21℃时的速度是344.6米／秒，如果换能器E₁₁与E₂₁、E₁₂与E₂₂、E₁₃与E₂₃、E₁₄与E₂₄之间的距离是0.3米，则在20℃时超声波的传输时间是8.7209×10^-4秒，在21℃时超声波的传输时间是8.7057×10^-4秒，在21℃时和20℃时超声波的传输时间差为1.52×10^-6秒。如上所述，超声波传输时间测量的分辨率优于1.0×10^-9秒，则可以实现分辨率优于0.001℃的温度测量。

Claims (3)

1.一种高精度宽量程的分体式多声道超声波温度计，其包括超声波换能器、超声波换能器驱动电路、滤波电路、放大电路和信号处理电路；其特征在于：

所述超声波换能器采用多对，作为测量头，每多的两个超声波换能器两两相对安装在被测介质的容器上，不与被测介质接触；每一对的超声波换能器中一个用于发射超声波，一个用于接收超声波，全部超声波换能器组中的所有用于发射超声波的换能器构成发射换能器组E1，用于接收超声波的换能器构成接收换能器组E2；

电路部分还包括一通道切换电路，连接在超声波换能器驱动电路和发射换能器组E1之间，通道切换电路是对发射换能器组E1中的换能器与驱动电路之间的连接通道进行切换，使得超声波换能器驱动电路的驱动信号逐一轮流驱动发射换能器组E1中的换能器，完成超声波在多对两两相对安装的换能器之间的发射和接收；

所述接收换能器组E2连接滤波电路，滤波电路连接放大电路，放大电路再连接信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的分体式多声道超声波温度计，其特征在于：所述超声波换能器驱动电路包括数模转换器（D/A）和功率放大电路，数模转换器（D/A）用于把现场可编程门列阵（FPGA）发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路用于放大该正弦信号的功率，驱动超声波发射换能器组E1中的换能器。

3.根据权利要求1或2所述的分体式多声道超声波温度计，其特征在于：所述信号处理电路包括有模数转换器（A/D）、现场可编程门列阵（FPGA）和中央处理单元（CPU）；

所述模数转换器（A/D）与放大电路连接，用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入现场可编程门阵列（FPGA）；

所述中央处理单元（CPU）连接现场可编程门阵列（FPGA），控制现场可编程门阵列（FPGA）输出正弦波驱动信号，现场可编程门阵列（FPGA）的一路输出连接数模转换器（D/A），由数模转换器（D/A）对所述正弦波驱动信号进行转换，再通过功率放大电路传输至通道切换电路；

所述现场可编程门阵列（FPGA）同时采样输出的正弦波驱动信号和输入的超声 波回波信号，并将采样数据存放在内存中；中央处理单元（CPU）从现场可编程门阵列（FPGA）内存中读取采样数据，根据超声波的传输时间得到被测介质的温度值，最后得到平均温度值。