CN205002814U - 超声波气体流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波气体流量计。本实用新型的超声波气体流量计，包括超声波发射电路、超声波换能器、模拟开关、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、电压调整电路、单片机、峰值采样电路、电压调整电路、电压比较电路、键盘与显示模块、温度测量模块、压力测量模块和系统电源。本实用新型能够实现超声波气体的宽量程测量，并且可以测到很低的流量，在大口径测量时，大大降低了成本。

Description

超声波气体流量计

技术领域

本实用新型涉及一种气体流量计，尤其涉及一种超声波气体流量计，属于新型测量器械领域。

背景技术

热式气体质量流量计既可进行气体流量计量工作,也可用于过程控制领域。HKTMF型引进美国先进技术生产，无须温压补偿，直接测出流体的质量流量。它的突出特点是：没有可动部件；压力损失小；量程比宽；精度高；可靠性高；安装简单，操作方便。可以在所有领域全面替代孔板和差压式流量计。特别是计量精确，不受压力及环境温度变化的影响，属更新换代产品。从而克服了第一代机械涡轮式流量计易磨损，涡轮停转或滞转及计量精度差(尤其是医院集中供氧总表与分表计量不吻合)等致命缺欠。结构简单，传感器内空无一物，无附加阻力损失坚固耐用抗磨损、可长周期保持足够高的测量精度，结合智能型二次仪表使用，弯管流量计完全可以用来作为计量考核仪表使用重现精度高，这个特点特别适用于过程流量和控制流量的测量焊接式安装方式，保证弯管传感器长周期、无泄露安全运行对直管段要求低，十分方便在狭小的装置内使用，适应性强配合不同的弯管材质和合适的几何尺寸，弯管流量计可以适应制碱系统绝大多数工艺介质和工艺条件的流量测量。

但是，现有气体流量计量程较小，成本较高，不能完全满足工业化的需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种超声波气体流量计，实现超声波气体的宽量程测量，并且可以测到很低的流量，在大口径测量时，大大降低了成本。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种超声波气体流量计，包括超声波发射电路、超声波换能器、模拟开关、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、电压调整电路、单片机、峰值采样电路、电压调整电路、电压比较电路、键盘与显示模块、温度测量模块、压力测量模块和系统电源；

其中，单片机控制超声波发射电路产生并发射超声波信号，通过超声波换能器将超声波转换成模拟信号传递给模拟开关，经过前置放大电路放大处理后，通过带通滤波电路滤波并进入自动增益控制电路进行增益处理，通过峰值采样电路采样超声波接收信号后将采样信号发送给单片机模块的A/D接收引脚，由单片机进行相应的A/D转换处理，单片机的D/A转换发送处理后的信号通过电压调整电路，进入自动增益控制电路；

自动增益控制电路发送超声波信号给电压比较电路，电压比较电路将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机；

键盘与显示模块完成流量计的输入和输出。

进一步的，所述单片机为MSP430单片机，控制键盘及显示模块、温度测量模块。

进一步的，所述超声波发射电路包括74HCT00芯片、TC4427A芯片、驱动MOS管、脉冲变压器和换能器，单片机产生的超声波发射电路脉冲信号与控制信号通过74HCT00芯片，经TC4427A芯片升压后，驱动MOS管工作，经脉冲变压器升压，将峰值为300V以上的电压加在换能器两端，发射出超声波信号。

进一步的，所述前置放大电路由AD620芯片搭建。

进一步的，所述带通滤波电路为贝塞尔滤波器，由NE5532芯片搭建，理论增益为2，中心频率为125kHz，通频带为8kHz。

进一步的，所述自动增益控制电路由VCA810芯片搭建。

进一步的，所述峰值采样电路由NE5532芯片搭建，峰值采样电路采样超声波接收信号，并将采样信号发送给单片机。

进一步的，所述电压调整电路由LM258芯片搭建。

进一步的，所述电压比较路由LM311芯片搭建，将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机。

进一步的，所述压力测量模块包括传感器和信号放大电路；传感器为电阻应变式压力传感器，信号放大电路由OP07运算放大器搭建。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、与传统测量方式相比，尤其是大口径测量时，大大降低了成本。

2、仪表的量程比很宽，可以测到很低的流量。

附图说明

图1是本实用新型的功能框图。

图2是本实用新型的超声波发射电路。

图3是本实用新型的前置放大电路。

图4是本实用新型的带通滤波电路。

图5是本实用新型的自动增益控制电路。

图6是本实用新型的峰值采样电路。

图7是本实用新型的电压调整电路。

图8是本实用新型的电压比较电路。

图9是本实用新型的键盘与显示模块。

图10是本实用新型的温度测量模块。

图11是本实用新型的压力测量模块。

图12是本实用新型的系统电源部分。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

如图1所示，一种超声波气体流量计，包括超声波发射电路、超声波换能器、模拟开关、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、电压调整电路、单片机、峰值采样电路、电压调整电路、电压比较电路、键盘与显示模块、温度测量模块、压力测量模块和系统电源；

其中，单片机控制超声波发射电路产生并发射超声波信号，通过超声波换能器将超声波转换成模拟信号传递给模拟开关，经过前置放大电路放大处理后，通过带通滤波电路滤波并进入自动增益控制电路进行增益处理，通过峰值采样电路采样超声波接收信号后将采样信号发送给单片机模块的A/D接收引脚，由单片机进行相应的A/D转换处理，单片机的D/A转换发送处理后的信号通过电压调整电路，进入自动增益控制电路；

自动增益控制电路发送超声波信号给电压比较电路，电压比较电路将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机；

键盘与显示模块完成流量计的输入和输出。

在优选的实施例中，所述单片机为MSP430单片机，外围包括控制键盘及显示模块、温度测量模块。

如图2所示，在优选的实施例中，所述超声波发射电路包括74HCT00芯片、TC4427A芯片、驱动MOS管、脉冲变压器和换能器，单片机产生的超声波发射电路脉冲信号与控制信号通过74HCT00芯片，经TC4427A芯片升压后，驱动MOS管工作，经脉冲变压器升压，将峰值为300V以上的电压加在换能器两端，发射出超声波信号。

如图3所示，在优选的实施例中，所述前置放大电路由AD620芯片搭建，通过调整引脚1和引脚8之间的电阻RES1的阻值，来实现放大倍数的调整，增益公式为：

$G=\frac{49.4k\mathrm{\Ω}}{R_g}+1.$

$R_g=\frac{49.4k\mathrm{\Ω}}{G-1}$

如图4所示，在优选的实施例中，所述带通滤波电路为贝塞尔滤波器，由NE5532芯片搭建，理论增益为2，中心频率为125kHz，通频带为8kHz。

如图5所示，在优选的实施例中，所述自动增益控制电路由VCA810芯片搭建，VCA810芯片工作原理是通过对其引脚V_C施加不同的电压来控制增益的大小。控制电压V_C与增益G的函数关系式为：

$G_{(V/V)}={10}^{-2(V_C+1)}$

G_(dB)＝-40(V_C+1)dB

当V_C从0变化到-2V时，增益从-40dB线性地变化到+40dB。另外当V_C电压超过0时，增益为-80dB，这实际上就有效地阻断了放大器。

如图6所示，在优选的实施例中，所述峰值采样电路由NE5532芯片搭建，峰值采样电路采样超声波接收信号，并将采样信号发送给单片机的A/D接收引脚，由单片机进行相应的A/D转换处理。

如图7所示，在优选的实施例中，所述电压调整电路由LM258芯片搭建。由于VCA810的控制引脚V_C的有效范围是0到-2V，而单片机在3.3V供电的情况下D/A引脚的输出电压范围为0到3.3V，所以要进行电压调整。工作原理是先由LM258其中的一个运放构成一个跟随器电路，跟随器输出信号接一个增益为1的反向放大器，由LM258另外的一个运放构成，这样可以把电压由0到3.3V调整到0到-3.3V，然后接一个分压电路，进一步把电压由0到-3.3V调整到0到-2V。

如图8所示，在优选的实施例中，所述电压比较路由LM311芯片搭建，将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机。

如图9所示，在优选的实施例中，键盘模块和LCD显示模块完成流量计的输入和输出功能。

如图10所示，在优选的实施例中，温度测量模块采用PT100铂热电阻。它的阻值会随着温度的变化而改变。电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源。通过运放1将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放2将该微弱压降信号放大，即输出期望的电压信号，该信号可直接连MSP430单片机的AD转换接口。

如图11所示，在优选的实施例中，所述压力测量模块包括传感器和信号放大电路；传感器选用了测量范围广，精度较高，性能价格比好的电阻应变式压力传感器；信号放大电路采用功耗低，输入失调电压小，线性度好的OP07运算放大器。OP07的输出失调电压为2mV，通过滑动变阻器R8可调节输出失调电压的大小。

如图12所示，在优选的实施例中，系统电源部分将24V输入电压转换成24V，12V，±5V，3.3V电压输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种超声波气体流量计，其特征在于，包括超声波发射电路、超声波换能器、模拟开关、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、电压调整电路、单片机、峰值采样电路、电压调整电路、电压比较电路、键盘与显示模块、温度测量模块、压力测量模块和系统电源；

其中，单片机控制超声波发射电路产生并发射超声波信号，通过超声波换能器将超声波转换成模拟信号传递给模拟开关，经过前置放大电路放大处理后，通过带通滤波电路滤波并进入自动增益控制电路进行增益处理，通过峰值采样电路采样超声波接收信号后将采样信号发送给单片机模块的A/D接收引脚，由单片机进行相应的A/D转换处理，单片机的D/A转换发送处理后的信号通过电压调整电路，进入自动增益控制电路；

自动增益控制电路发送超声波信号给电压比较电路，电压比较电路将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机；

键盘与显示模块完成流量计的输入和输出。

2.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述单片机为MSP430单片机，控制键盘及显示模块、温度测量模块。

3.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波发射电路包括74HCT00芯片、TC4427A芯片、驱动MOS管、脉冲变压器和换能器，单片机产生的超声波发射电路脉冲信号与控制信号通过74HCT00芯片，经TC4427A芯片升压后，驱动MOS管工作，经脉冲变压器升压，将峰值为300V以上的电压加在换能器两端，发射出超声波信号。

4.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述前置放大电路由AD620芯片搭建。

5.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述带通滤波电路为贝塞尔滤波器，由NE5532芯片搭建。

6.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述自动增益控制电路由VCA810芯片搭建。

7.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述峰值采样电路由NE5532芯片搭建，峰值采样电路采样超声波接收信号，并将采样信号发送给单片机。

8.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述电压调整电路由LM258芯片搭建。

9.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述电压比较路由LM311芯片搭建，将超声波接收信号的幅值与给定幅值比较，判断超声波的接收情况，并将停止计时的信号发送给单片机。

10.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述压力测量模块包括传感器和信号放大电路；传感器为电阻应变式压力传感器，信号放大电路由OP07运算放大器搭建。