CN205175477U - 一种中低压气体超声波流量测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低功耗的中低压气体超声波流量测量电路。本实用新型包括第一超声换能器、第二超声换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、前置放大器、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、稳压单元、超声波信号收发计时单元、单片机单元。本实用新型通过测量超声波在气体中的顺逆流传播时间差，计算出流经管道的气体流量，进而得到气体流速，超声波信号收发计时单元的采用提高了气体流量测量的精度，节省了装置成本。

Description

一种中低压气体超声波流量测量电路

技术领域

本实用新型属于气体流量检测技术领域，涉及一种中低压气体超声波流量测量电路。

背景技术

自上世纪九十年代，超声波技术应用于气体流量的检测领域以来，经过二十多年的发展，数字信号处理技术与传感器技术在实际应用中均有长足进步，目前，超声波技术已广泛应用于液体和高压气体流量的测量。但超声波信号在中低压气体流量的测量中存在衰减快、信号微弱等问题，需要较大放大倍数、通常需要较大的驱动电流。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种低功耗的中低压气体超声波流量测量电路。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：

本实用新型由第一超声换能器、第二超声换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、前置放大器、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、稳压单元、超声波信号收发计时单元、单片机单元组成。

第一超声换能器、第二超声换能器对称安装于管道轴线平面的两侧，第一超声换能器与第二超声换能器的轴心在同一条直线上，第一换能器安装在管道上游，第二换能器安装在管道下游。第一换能器输入端与第一模拟开关的第一端连接，第二换能器输入端与第二模拟开关的第一端连接；第一模拟开关的另一端与驱动单元的输出端连接；第二模拟开关的另一端与前置放大器的输入端连接；前置放大器的输出端与带通滤波单元的输入端连接；带通滤波单元的输出端与比较单元的输入端连接；比较单元的输出端与超声波收发计时单元的stop脚连接；驱动单元的输入端与超声波收发计时单元的start脚、fire脚连接；超声波发送计时单元的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机单元的I/O口连接；所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端分别与单片机单元的I/O口连接。

所述第一模拟开关和第二模拟开关选型芯片MAX4622；所述前置放大器选型芯片AD620、所述带通滤波单元选型芯片OPA836、所述比较单元选型芯片LMV761；所述稳压单元选型TPS76930、所述驱动单元选型芯片LT3572；所述超声波信号收发计时单元选型芯片TDC-GP21；所述单片机选型芯片MSP430F448。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过测量超声波在气体中的顺逆流传播时间差，计算出流经管道的气体流量，进而得到气体流速，TDC-GP21芯片的采用提高了气体流量测量的精度，节省了装置成本。系统采用小信号激励超声换能器，通过微弱信号比较电路准确获得超声波在气体中的顺逆流传播时间差，降低了系统测量的电压与电流，从而降低功耗，采用电池供电，一节电池的使用寿命在3-5年。适用于中低压情况下的任意气体的流量测量，测量过程中没有压损的存在，流量计使用寿命长。

附图说明

图1是超声换能器的安装示意图；

图2是控制系统原理框图；

图3是以单片机为核心的控制系统具体电路实例图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型，本实用新型提出了一种针对中低压气体流量测量的低功耗信号处理测量电路。

其中的气体超声流量计在原理上采用时差法测量，这也是目前应用较为广泛的时差式气体超声流量计。这种流量计的工作原理为：超声波在静止的流体中的流速为C，流体的流速为V_0，超声波在流体中的顺流时间为t₁,超声波在流体中的逆流时间为t_2，两个超声波换能器间的直线距离为L，与管道夹角为θ，那么超声波在流体中的顺流时间为

$T_1=\frac{L}{C+VCOS\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

超声波在流体中的逆流时间为

$T_2=\frac{L}{C-VCOS\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

将公式(1)和公式(2)相减，得到

$\mathrm{\Δ}T=\frac{2LVCOS\mathrm{\θ}}{C^2}---\left(3\right)$

将公式(1)和公式(2)相加，可以得到C

$T_1+T_2=\frac{2L}{C}---\left(4\right)$

将(4)式带入到(3)式中，得到

$V=\frac{2L\mathrm{\Δ}T}{{(T_1+T_2)}^{2}COS\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

本实用新型的气体超声测量方法具体是：测量超声波在气流中的顺流传播时间t₁和逆流传播时间t₂，按式(5)计算出流经管道的气体流速。式中L为两个换能器之间的距离，θ为换能器之间的连线与管道中轴线所形成的夹角，t_1、t₂为超声波在两个换能器之间的传播时间。

参照图1，将一对超声换能器对称安装于管道轴线平面的两侧，安装时应注意尽量使两个换能器的轴心在同一条直线上，第一换能器安装在管道上游，第二换能器安装在管道下游。

参照图2，该中低压气体流量低功耗超声波测量装置包括第一超声换能器、第二超声换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、前置放大器、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、稳压单元、超声波信号收发计时单元、单片机单元。

所述第一换能器输入端与第一模拟开关的第一端连接，所述第二换能器输入端与第二模拟开关的第一端连接；所述第一模拟开关的另一端与驱动单元的输出脚连接，所述第二模拟开关的另一端与前置放大单元的输入端连接；所述驱动单元的输入端与超声波收发计时电路的START脚、FIRE脚连接；所述前置放大器的输出端与带通滤波单元的输入端连接；所述带通滤波单元的输出端与比较单元的输入端连接；所述比较单元的输出端与超声波收发计时单元的一端连接；所述超声波发送计时电路的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机的I/O口连接；所述第一模拟开关电路使能端、第二模拟开关电路使能端分别与单片机的I/O口连接；

图3为中低压气体流量低功耗超声波测量装置的一种具体电路实例，模拟开关芯片选型MAX4622；驱动单元芯片选型LT3572；前置放大器芯片选型AD620；带通滤波单元芯片选型OPA836；比较单元芯片选型LMV761；超声波收发计时单元芯片选型TDC-GP21；单片机单元芯片选型MSP430F448。

所述第一换能器的正端、负端分别与第一模拟开关的一端、第二模拟开关的一端连接；所述第二换能器的正端、负端分别与第二模拟开关的另一端、第一模拟开关的另一端连接；所述第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端分别与单片机的P3.5脚、P3.6脚连接；所述驱动单元的输出端18脚、输出端19脚与第一模拟开关的一端连接；所述第二模拟开关与前置放大器的+IN脚、-IN脚连接；所述前置放大器的A0脚、A1脚、A2脚与单片机的P4.2脚、P4.3脚、P4.4脚连接；所述前置放大器OUT端与带通滤波单元-IN端连接；所述带通滤波单元OUT脚与比较单元-IN脚连接；所述比较单元OUT端与TDC-GP21的STOP脚连接；所述驱动单元PWM脚与TDC-GP21的START脚、FIRE脚连接；所述芯片GP21的XIN脚和XOUT脚与电阻R的两端连接，R的两端与4M陶瓷晶振的两端连接，晶振的两端分别接电容C3和C4，C3和C4的公共端接地，此为GP21的起振电路；所述芯片TDC-GP21的RSTN引脚、SO引脚、SI引脚、SCK引脚、SSN引脚、INTN引脚分别与单片机MSP430F448的P2.1、P2.0、P1.7、P1.6、P1.5、P1.4引脚连接。

系统上电后，MSP430单片机完成自身和TDC-GP21芯片的初始化设置，进而系统开始进行气体流量的测量。

单片机控制计时芯片TDC-GP21的脉冲发生器FIRE端口产生激励脉冲，经过驱动单元LT3572，激励第一超声换能器产生超声波，此时第一超声换能器作为发射换能器，第二超声换能器作为接收换能器，与此同时TDC-GP21的脉冲发生器产生一个START信号开启芯片内部的计时模块，计时开始。第一超声波换能器产生的超声波信号穿过管道中的气体以一定的时长传播到对面，第二超声换能器接收到超声波信号，并将其转化为电信号，通过滤波电路并经由过零检测来确定信号到达的时刻，同时产生STOP信号停止TDC-GP21芯片的计时工作，单片机从计时芯片TDC-GP21的寄存器读出该超声波信号传播时间t₁的测量数据，第一换能器的计时结束；同样，单片机控制TDC-GP21脉冲发生器的FIRE端口产生脉冲激励，激励第二超声换能器发出超声波信号，切换两个超声换能器的收发功能，以上述同样的处理方式可以得到第二换能器作为发送信号端的工作时间t₂。

根据时差法，单片机对所得到的两个时间参数进行处理，通过上述(5)式，即可得到被测气体的流速。

所述电路为单路驱动，节省了系统功耗；采用前置放大单元，可以测得微小信号，因此适用于中低压气体流量的测量。

本实用新型结构简单，通过测量超声波在气体介质中的声速从而消除了气体密度对气体流量测量的影响，具有广泛的适用性。同时本实用新型降低了系统功耗，使一节普通3.6V电池的供电寿命超过3年。

Claims (1)

1.一种中低压气体超声波流量测量电路，其特征在于，由第一超声换能器（1）、第二超声换能器（2）、第一模拟开关（3）、第二模拟开关（4）、前置放大器（5）、带通滤波单元（6）、比较单元（7）、驱动单元（8）、稳压单元（9）、超声波信号收发计时单元（10）、单片机单元（11）组成；

第一超声换能器（1）、第二超声换能器（2）对称安装于管道轴线平面的两侧，第一超声换能器（1）与第二超声换能器（2）的轴心在同一条直线上，第一换能器（1）安装在管道（12）上游，第二换能器（2）安装在管道（12）下游；

第一换能器（1）输入端与第一模拟开关（3）的第一端连接，第二换能器（2）输入端与第二模拟开关（4）的第一端连接；第一模拟开关（3）的另一端与驱动单元（8）的输出端连接；第二模拟开关（4）的另一端与前置放大器（5）的输入端连接；前置放大器（5）的输出端与带通滤波单元（6）的输入端连接；带通滤波单元（6）的输出端与比较单元（7）的输入端连接；比较单元（7）的输出端与超声波收发计时单元（10）的stop脚连接；驱动单元（8）的输入端与超声波收发计时单元（10）的start脚、fire脚连接；超声波发送计时单元（10）的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机单元（11）的I/O口连接；所述的第一模拟开关（3）使能端、第二模拟开关（4）使能端分别与单片机单元（11）的I/O口连接；

所述第一模拟开关和第二模拟开关选型芯片MAX4622；所述前置放大器选型芯片AD620、所述带通滤波单元选型芯片OPA836、所述比较单元选型芯片LMV761；所述稳压单元选型TPS76930、所述驱动单元选型芯片LT3572；所述超声波信号收发计时单元选型芯片TDC-GP21；所述单片机选型芯片MSP430F448。