CN204214488U - 一种相差法超声波流量测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种相差法超声波流量测量电路，包括参考电压电单元U0和脉冲发生器U2，其特征是：所述参考电压电单元U0的输出参考电压VREF连接回波整形比较器U1的负端，同时通过模拟开关SW2和回波整形比较器U1的正端连接，所述回波整形比较器U1的正端通过模拟开关SW1与电容C1、电容C2连接，所述脉冲发生器U2通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1连接，所述脉冲发生器U2还通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2连接，所述脉冲发生器U2还连接鉴相器U3，所述回波整形比较器U1的输出连接所述鉴相器U3的CLK端，所述鉴相器U3的输入端D连接高电平，所述鉴相器U3的输出端Q连接TDC单元的IN端。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声波流量测量领域，具体的讲，涉及一种相差法超声波流量测量电路。
背景技术
超声波流量测量采用声学原理测定流过管道的流体流速：将一对超声波换能器安装在流量管道壁上，在流量测量过程中，线路板上的元件对发射换能器施加激励信号使其产生超声波，接收换能器收到信号后将其转换为电信号，测量电路可以记下从发射到接收的时间，根据开普勒效应的原理，顺流和逆流状况下超声波的传播速度会发生变化，利用测量到的顺逆流时差即可计算得到流体的速度。在实际应用中，有时差法和相差法两种方式，其中时差法以德国ACAM公司GP21为代表，其能最多够测量三个回波脉冲的返回时间，但在实际应用中容易出现小流量测量误差大的问题；目前相差法方案多以位分立元件构成，使用取得的相位差脉冲对电容进行恒流充电，采用AD转换的方法得到电压值，进而推算出流量，优点在于可以测量多个相位差的值，精度上有比较大的优势，缺点在于分立元件带来了成本提升和产品良率问题，且充电过程中会带来非线性误差，这种误差随温度和电压变化，难以消除，例如公开号为CN102200457A所公开的实用新型专利就采用了大量的分立元件。为解决这个问题，本实用新型公开了一种新型的相差法超声波流量测量电路及测量方法。
实用新型内容：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种相差法超声波流量测量电路，具有更好的稳定性和测量精度。
本实用新型采用如下技术手段实现实用新型目的：
一种相差法超声波流量测量电路，包括参考电压电单元U0和脉冲发生器U2，其特征是：所述参考电压电单元U0的输出参考电压VREF连接回波整形比较器U1的负端，同时通过模拟开关SW2和回波整形比较器U1的正端连接，所述回波整形比较器U1的正端通过模拟开关SW1与电容C1、电容C2连接，所述脉冲发生器U2通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1连接，所述脉冲发生器U2还通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2连接，所述脉冲发生器U2还连接鉴相器U3，所述回波整形比较器U1的输出连接所述鉴相器U3的CLK端，所述鉴相器U3的输入端D连接高电平，所述鉴相器U3的输出端Q连接TDC单元的IN端。
作为对本技术方案的进一步限定，所述脉冲发生器U2的FIRE_UP端口通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1连接，所述脉冲发生器U2的FIRE_DN端口还通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2连接。
作为对本技术方案的进一步限定，所述脉冲发生器U2的FIRE_UP端口或者FIRE_DN端口产生1MHz占空比50%的换能器激励信号。
作为对本技术方案的进一步限定，所述脉冲发生器U2的 CLK_REF端和所述鉴相器U3的RESET端相连。
作为对本技术方案的进一步限定，所述脉冲发生器U2的 CLK_REF端产生一个1MHz的同步于换能器激励信号且占空比为75%的信号。
作为对本技术方案的进一步限定，所述鉴相器U3由1个带异步复位端口的D触发器构成。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型采用了高分辨率全数字的TDC对相位差进行，有更强的抗干扰性，且在一次测量过程中可以连续测量多个相位差值，使得测量数据的稳定性和精度都大大提高。
附图说明
图1为本实用新型优选实施例的结构方框图。
图2为本实用新型优选实施例中鉴相器的工作波形图。
具体实施方式:
下面结合实施例，进一步说明本实用新型。
参见图1和图2，本实用新型包括参考电压电单元U0、回波整形比较器U1、脉冲发生器U2、鉴相器U3、TDC单元U4、模拟开关SW1、模拟开关SW2，所述脉冲发生器U2可以在FIRE_UP或FIRE_DN端口产生1MHz占空比50%的换能器激励信号，所述脉冲发生器U2的FIRE_UP端口通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1相连， FIRE_DN端口通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2相连，CLK_REF端和所述鉴相器U3的RESET端相连，CLK_REF是一个1MHz的同步于换能器激励的信号，占空比为75%；所述参考电压单元U0输出的参考电压VREF和回波整形比较器U1的负输入端相连，作为回波整形比较器U1的比较电压，同时通过模拟开关SW2和回波整形比较器U1正端相连，在回波产生前通过对电容C1或C2充电，使耦合到回波整形比较器U1正端的信号直流电平为VREF；所述回波整形比较器U1的正端通过模拟开关SW1和电容C1、C2相连，将接收换能产生的超声波信号整形为1MHz的方波，回波比较器U1的输出连接到鉴相器U3的CLK端；所述鉴相器U3在结构上由1个带异步低有效复位端口的D触发器构成，产生回波信号和CLK_REF的相位差脉冲，输入端D连接高电平，输出Q连接到所述TDC单元的IN端；所述TDC单元是一个高分辨率(<100ps)的时间数字转换电路，用于测量多个IN端口输入的高电平脉冲的宽度，它的输入端口IN连接所述鉴相器U3的输出,输出端T代表测量到的脉宽结果。
本技术方案还提供了一种相差法超声波流量测量电路及其测量方法，包括以下步骤：
（1）电路接收上游测量命令；
（2）所述模拟开关SW1和所述电容C2连接，所述模拟开关SW2接通，所述脉冲发生器的FIRE_DN输出低电平；
（3）等待一段可设定的时间，电容C2被充电到参考电压VREF的值, 模拟开关SW2断开；
（4）脉冲发生器U2的FIRE_UP输出指定个数的1MHz方波脉冲，同时发出1MHz的参考信号CLK_REF，提供给所述鉴相器U3，所述超声波换能器T1作为发射换能器，开始发出超声波；
（5）所述超声波换能器T2作为接收换能器，在收到回波后，通过所述电容C2和所述模拟开关SW1，将回波耦合到所述回波整形比较器U1的正端，与正端的直流电压叠加，正端的直流电压在数值上跟参考电压VREF相等，比较器U1正端输入信号和比较器U1负端的参考电压VREF进行比较，转换成一个1MHz的方波，即回波脉冲，输出到所述鉴相器U3；
（6）所述鉴相器U3对回波脉冲和参考信号CLK_REF进行鉴相，产生两路信号的相位差脉冲；
（7）所述TDC单元对所述鉴相器U3输出的多个相位差脉冲宽度进行测量，被测脉冲个数可设，最后输出高分辨率的时间测量结果，代表上游发射的回波脉冲相对于参考信号的相位差值；
（8）以同所述(2)-(7)相似的方式进行一次下游相位差测量，区别在于在下游测量中，所述模拟开关SW1和所述电容C1连接，所述模拟开关SW2接通，所述脉冲发生器U2的FIRE_DN输出低电平，所述回波比较器U1的正端通过所述模拟开关SW1和电容C1连接，接收来自换能器T1的回波信号；
（9）外部微处理器从TDC输出获得上游测量和下游测量分别相对于脉冲发生器U2的参考信号CLK_REF的相位差，就可以计算出上游回波和下游回波之间的相位差，进而推算出流速。
当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种相差法超声波流量测量电路，包括参考电压电单元U0和脉冲发生器U2，其特征是：所述参考电压电单元U0的输出参考电压VREF连接回波整形比较器U1的负端，同时通过模拟开关SW2和回波整形比较器U1的正端连接，所述回波整形比较器U1的正端通过模拟开关SW1与电容C1、电容C2连接，所述脉冲发生器U2通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1连接，所述脉冲发生器U2还通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2连接，所述脉冲发生器U2还连接鉴相器U3，所述回波整形比较器U1的输出连接所述鉴相器U3的CLK端，所述鉴相器U3的输入端D连接高电平，所述鉴相器U3的输出端Q连接TDC单元的IN端。
2.根据权利要求1所述的相差法超声波流量测量电路，其特征是：所述脉冲发生器U2的FIRE_UP端口通过电阻R1分别和换能器T1、电容C1连接，所述脉冲发生器U2的FIRE_DN端口还通过电阻R2分别和换能器T2、电容C2连接。
3.根据权利要求2所述的相差法超声波流量测量电路，其特征是：所述脉冲发生器U2的FIRE_UP端口或者FIRE_DN端口产生1MHz占空比50%的换能器激励信号。
4.根据权利要求3所述的相差法超声波流量测量电路，其特征是：所述脉冲发生器U2的 CLK_REF端和所述鉴相器U3的RESET端相连。
5.根据权利要求4所述的相差法超声波流量测量电路，其特征是：所述脉冲发生器U2的 CLK_REF端产生一个1MHz的同步于换能器激励信号且占空比为75%的信号。
6.根据权利要求4所述的相差法超声波流量测量电路，其特征是：所述鉴相器U3由1个带异步复位端口的D触发器构成。
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| CN104236650A (zh) * | 2014-10-13 | 2014-12-24 | 山东力创科技有限公司 | 一种相差法超声波流量测量电路及其测量方法 |
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