CN205037931U - 一种高精度超声波气体流量计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种高精度超声波气体流量计，设置成X型，其中，第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组；第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器连接到四选一电子开关的输入端，经过四选一电子开关选择，输出信号依次经过放大电路、滤波电路、整形电路后变换为方波信号，测量时间电路测量所述超声波换能器发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间。本实用新型采用超声波传播时间差原理来测量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害，同时将超声波回波信号转换为方波，测量精度较现有手段提高数倍。
Description
技术领域
本实用新型涉及测试技术领域，特别涉及一种高精度超声波气体流量计。
背景技术
根据超声波时差法原理，当气体流动与超声波传播顺方向时，超声波传播速度随气体流动速度增加而增大；当气体流动与超声波传播逆方向时，超声波传播速度随气体流动速度增加而减小。超声波在气体顺流、逆流中传播时间不同，从而通过时间差来计算流速，进而求得气体流量。
现有技术方案，在被测气体中放置一对超声波发射/接收换能器，分别在顺流和逆流方向发射超声波脉冲，测量其传播时间t顺和t逆。其流速计算公式为：
采用单声道的超声波换能器，这样测得气体流速存在较大误差，并且接收超声波回波信号没有进行多级放大，不能测出准确的传播时间。
实用新型内容
本实用新型提出了一种高精度超声波气体流量计，采用超声波传播时间差原理来测量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害，超声波回波信号放大50000倍，同时将超声波回波信号转换为方波，测量精度较现有手段提高数倍。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种高精度超声波气体流量计，设置成X型，其中，第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组；
第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器连接到四选一电子开关的输入端，经过四选一电子开关选择，输出信号依次经过放大电路、滤波电路、整形电路后变换为方波信号，测量时间电路测量所述超声波换能器发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间。
可选地，所述超声波换能器为收发一体结构，包括超声波信号源和超声波传感器；
超声波信号源输出高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率，依次发射5个高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号。
可选地，所述超声波信号源包括高压脉冲发生电路、升压电路、隔离电路，隔离电路输出端连接所述超声波传感器探头，超声波传感器探头连接差分放大电路，输出正弦波信号。
可选地，所述放大电路为两级放大电路。
可选地，所述滤波电路对放大电路放大后的信号进行带通滤波，消除低频和高频噪声。
可选地，所述整形电路包括绝对值变换电路、峰值保持电路和回波积分比较器电路。
可选地，将回波负半轴的信号经绝对值变换电路进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率值的频率。
可选地，所述峰值保持电路采用二极管峰值保持电路。
可选地，所述峰值保持电路采用高速检波二极管IN60，后面经过阻容低通滤波器滤除高频噪声信号。
可选地，所述回波积分比较器电路将前端模拟处理电路处理后的回波包络送入积分电路，积分电路将包络信号转换为方波信号，该方波信号送入高速比较器后得到更加陡峭的方波信号，送入测量时间电路。
本实用新型的有益效果是：
(1)采用超声波传播时间差原理来测量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害；
(2)将超声波回波信号转换为方波，测量精度较现有手段提高数倍。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型高精度超声波气体流量计的整体结构图；
图2为本实用新型高精度超声波气体流量计的控制框图；
图3为本实用新型高精度超声波气体流量计的超声波换能器控制框图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
现有技术中采用单声道的超声波换能器，测得气体流速存在较大误差，并且接收超声波回波信号没有进行多级放大，不能测出准确的传播时间。
本实用新型提出了一种高精度超声波气体流量计，采用多对超声波换能器，设置成X型，通过测量超声波发射和接收时间，就可以测量气体多个方向的流速，对气体多个流速求算术平均值，即测得气体流速。
下面结合附图对本实用新型的高精度超声波气体流量计进行详细说明。
如图1所示，本实用新型的高精度超声波气体流量计包括两组超声波换能器，设置成X型，其中，第一超声波换能器1和第二超声波换能器2为一组，彼此相对，第三超声波换能器3和第四超声波换能器4为一组，彼此相对。
本实用新型的第一超声波换能器1、第二超声波换能器2、第三超声波换能器3和第四超声波换能器4均为收发一体结构，实现每组内部之间互发互收，例如，如果第一超声波换能器1为发送端，那么第二超声波换能器2为接收端，如果第二超声波换能器2为发送端，那么第一超声波换能器1为接收端。
如图2所示，本实用新型高精度超声波气体流量计中，第一超声波换能器1、第二超声波换能器2、第三超声波换能器3和第四超声波换能器4连接到四选一电子开关5的输入端，经过四选一电子开关5选择，输出信号依次经过放大电路6、滤波电路7、整形电路8后变换为方波信号，测量时间电路9测量出上述超声波换能器发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间差。
本实用新型的超声波换能器为收发一体结构，包括超声波信号源和超声波传感器。超声波信号源产生驱动超声波传感器发射超声波信号的高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率，依次发射5个高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号，该信号是非常微弱的正弦波信号。后级的模拟处理电路将该正弦波信号放大、滤波、整形变换为方波信号，然后采用高精度测量时间电路测量出发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间差。
如图3所示，本实用新型的超声波换能器包括超声波信号源和超声波传感器，其中，超声波信号源包括高压脉冲发生电路11、升压电路12、隔离电路13，隔离电路输出端连接超声波传感器探头14，超声波传感器探头连接差分放大电路15，输出正弦波信号。上述放大电路6对该正弦波信号进一步放大，优选地，本实用新型的放大电路6为两级放大电路。
优选地，上述差分放大电路15的放大倍数为500-1000倍，放大电路6中的两级放大电路放大倍数各为10倍，因此，本实用新型的系统放大倍数为50000-100000倍。
为了消除干扰信号进入模拟处理电路，通过上述滤波电路7对放大后的信号进行带通滤波，消除低频和高频噪声。优选地，带通滤波器采用MAX275设计，通过设置外部电阻可以设置相应的中心频率，带通滤波器带宽，放大增益。本实用新型的超声波气体流量计设置系统中心频率为100KHz，放大增益2倍。
本实用新型的整形电路包括绝对值变换电路、峰值保持电路和回波积分比较器电路。
其中，为了使得回波峰值波形更加精确平滑，将回波负半轴的信号经绝对值变换电路进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率值的频率。进一步使用峰值保持电路变换后，得到的波形将非常平滑，有利于后期的进一步处理。
峰值保持电路是将波形的正峰值平滑的连结起来，得到一个峰值曲线，这个曲线包含了回波信号的整体特性，为进行下一步的测量时间电路提供精确的波形，该波形越平滑，测量时间的精度越高，是模拟处理电路捕捉超声波回波信号的关键。优选地，峰值保持电路采用经典二极管峰值保持电路，采用高速检波二极管IN60，后面经过阻容低通滤波器滤除高频噪声信号。
回波积分比较器电路，将前端模拟处理电路处理后的回波包络送入积分电路，积分电路将包络信号转换为方波信号。采用较小的积分电阻，将积分电容迅速充电，使得运放输出迅速饱和，达到供电电源电压值。最后将包络信号转换为方波信号，该方波信号送入高速比较器后得到更加陡峭的方波信号，送入测量时间电路。
测量时间电路通过测量超声波发射和接收时间，就可以测量气体多个方向的流速，对气体多个流速求算术平均值，即可测得气体流速。测量时间电路可以选用现有的数字处理芯片实现，通过芯片自带的时间测量和比较功能实现，也可以通过现有的模拟测量时间电路实现。
本实用新型高精度超声波气体流量计，采用超声波传播时间差原理来测量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害，同时将超声波回波信号转换为方波，测量精度较现有手段提高数倍。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度超声波气体流量计，其特征在于，设置成X型，其中，第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组；
第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器连接到四选一电子开关的输入端，经过四选一电子开关选择，输出信号依次经过放大电路、滤波电路、整形电路后变换为方波信号，测量时间电路测量所述超声波换能器发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间。
2.如权利要求1所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波换能器为收发一体结构，包括超声波信号源和超声波传感器；
超声波信号源输出高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率，依次发射5个高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号。
3.如权利要求2所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超声波信号源包括高压脉冲发生电路、升压电路、隔离电路，隔离电路输出端连接所述超声波传感器探头，超声波传感器探头连接差分放大电路，输出正弦波信号。
4.如权利要求1所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述放大电路为两级放大电路。
5.如权利要求1所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述滤波电路对放大电路放大后的信号进行带通滤波，消除低频和高频噪声。
6.如权利要求1所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述整形电路包括绝对值变换电路、峰值保持电路和回波积分比较器电路。
7.如权利要求6所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，将回波负半轴的信号经绝对值变换电路进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率值的频率。
8.如权利要求6所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述峰值保持电路采用二极管峰值保持电路。
9.如权利要求8所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述峰值保持电路采用高速检波二极管IN60，后面经过阻容低通滤波器滤除高频噪声信号。
10.如权利要求6所述的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述回波积分比较器电路将前端模拟处理电路处理后的回波包络送入积分电路，积分电路将包络信号转换为方波信号，该方波信号送入高速比较器后得到更加陡峭的方波信号，送入测量时间电路。
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