CN213688508U - 一种超声波流量计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种超声波流量计；包括DSP，DSP的输入端分别与接收电路、测温电路、时钟电路、电源电路连接，DSP的输出端与发射电路和通讯电路连接，所述发射电路和接收电路之间还连接后通道选择电路，通道选择电路通过DSP切换换能器。本实用新型通过前置放大电路，带通滤波电路以及过零检测电路，对信号进行处理，从而使接收换能器接收到精准的放大信号，DSP控制通道选择开关的切换，从而实现换能器交替发射和接收超声波信号，考虑到控制模拟通道开关较为简单，且操作时无电气干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波流量计。
背景技术
随着工业技术的发展，流量逐渐成为了流程工业测量三大主题内容之一，另外两个分别是温度与压力，它们给人们的日常生活和工作带去了无限的便利，提高了生活质量的同时也提高了经济效益[1]。现如今，工农业用水以及水资源管理，石油、天然气等矿产资源的管理与运输以及化工原料的生产都十分频繁地使用到了流量测量技术。我国是一个人口大国，但是由于地大物博等的特点，并且水和矿产资源都很贫乏，所以能源高度有效地使用和节约、环境保护以及生产效率在我们的日常生活和工作中显得越来越重要。此外，现如今无论是气体还是液体的测量问题都与工业生产息息相关，流量计量也成为了生活和生产中越来越重要的部分。
超声波流量计内部电路需要两个超声波换能器，两个超声波换能器分别负责接收和发送超声波，并且为了减少超声波流量计的制作成本，所以需要将两个超声波换能器的信号和通道进行切换，以便超声波接收和发送能够准确传入同一个DSP处理器。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超声波流量计。
本实用新型通过以下技术方案得以实现。
本实用新型提供的一种超声波流量计；包括DSP，DSP的输入端分别与接收电路、测温电路、时钟电路、电源电路连接，DSP的输出端与发射电路和通讯电路连接，所述发射电路和接收电路之间还连接后通道选择电路，通道选择电路通过DSP切换换能器。
所述接收电路包括前置放大电路、带通滤波电路、过零比较电路；
所述前置放大电路包括电容C1，电容C1的一端与超声波换能器连接，另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极通过电阻 R3接地，三极管Q1的集电极与电阻R2连接，三极管Q1的基极还通过电阻R1与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电源VCC连接，三极管Q1的集电极还与电容C2连接，电容C2的另一端与带通滤波电路连接。
所述带通滤波电路包括电阻R4，电阻R4的另一端与电容C4、电容C3、电阻R5共同连接的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C3 的另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与电容C4的另一端连接且做为过滤信号的输出端。
所述电容C4与电阻R5连接的一端还与放大器U1的输入端负极连接，放大器U1的输入端正极通过电阻C5接地，放大器U1的输出端与过零比较电路连接。
所述过零比较电路包括电容C6，电容C6一端与放大器U1的输出端连接，电容C6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管 Q2的集电极通过电阻R9与电源VCC连接并接入DSP信号处理器的输入端，所述二极管D2的负极还与电容C7连接，电容C7的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述三极管Q2的基极还与电阻R8连接，电阻R8和电容C7共同接地。
所述发射电路包括一个三极管，三极管的基极与DSP控制器的信号输出端连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极与变压器的初级侧的一端连接，变压器的初级侧的另一端与一个电阻连接并通过一个电容接地，该电阻与+12V电源连接；变压器的次级侧一端接地，另一端通过电阻与超声波换能器的输入端连接。
通道选择电路包括继电器K1，继电器K1与二极管D1并联，二极管D1的负极与24V电源连接，二极管D1的正极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与电阻R4连接，电阻R4的另一极与控制器的 I/O口连接，所述三极管Q1的基极还与电阻R3连接后与其发射极共同接地；所述信号方向切换电路包括继电器K1的双刀双掷触点，继电器K1的双刀双掷触点中每个动触点对应的两个静触点分别与接收线路和发送线路连接；继电器K1的两个常开触点分别与继电器K1的双刀双掷触点的动触点连接，两个常开触点的另一端分别连接超声波换能器P1和超声波换能器P2；所述两个常开触点还分别与电容和电阻串联后的串联线路并联；所述接收线路和发送线路分别连接超声波发射电路和超声波接收电路。
所述测温电路为PT100测温电路。
本实用新型的有益效果在于：通过前置放大电路，带通滤波电路以及过零检测电路，对信号进行处理，从而使接收换能器接收到精准的放大信号，DSP控制通道选择开关的切换，从而实现换能器交替发射和接收超声波信号，考虑到控制模拟通道开关较为简单，且操作时无电气干扰。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的前置放大电路原理图；
图3是本实用新型的发射电路原理图；
图4是本实用新型的通道选择电路原理图；
图5是本实用新型的温度检测电路原理图；
图6是本实用新型的振荡器结构原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种超声波流量计；包括DSP，DSP的输入端分别与接收电路、测温电路、时钟电路、电源电路连接，DSP的输出端与发射电路和通讯电路连接，所述发射电路和接收电路之间还连接后通道选择电路，通道选择电路通过DSP切换换能器。
所述接收电路包括前置放大电路、带通滤波电路、过零比较电路；
所述前置放大电路包括电容C1，电容C1的一端与超声波换能器连接，另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极通过电阻 R3接地，三极管Q1的集电极与电阻R2连接，三极管Q1的基极还通过电阻R1与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电源VCC连接，三极管Q1的集电极还与电容C2连接，电容C2的另一端与带通滤波电路连接。
所述带通滤波电路包括电阻R4，电阻R4的另一端与电容C4、电容C3、电阻R5共同连接的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C3 的另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与电容C4的另一端连接且做为过滤信号的输出端。
所述电容C4与电阻R5连接的一端还与放大器U1的输入端负极连接，放大器U1的输入端正极通过电阻C5接地，放大器U1的输出端与过零比较电路连接。
所述过零比较电路包括电容C6，电容C6一端与放大器U1的输出端连接，电容C6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管 Q2的集电极通过电阻R9与电源VCC连接并接入DSP信号处理器的输入端，所述二极管D2的负极还与电容C7连接，电容C7的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述三极管Q2的基极还与电阻R8连接，电阻R8和电容C7共同接地。
所述发射电路包括一个三极管，三极管的基极与DSP控制器的信号输出端连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极与变压器的初级侧的一端连接，变压器的初级侧的另一端与一个电阻连接并通过一个电容接地，该电阻与+12V电源连接；变压器的次级侧一端接地，另一端通过电阻与超声波换能器的输入端连接。
通道选择电路包括继电器K1，继电器K1与二极管D1并联，二极管D1的负极与24V电源连接，二极管D1的正极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与电阻R4连接，电阻R4的另一极与控制器的 I/O口连接，所述三极管Q1的基极还与电阻R3连接后与其发射极共同接地；所述信号方向切换电路包括继电器K1的双刀双掷触点，继电器K1的双刀双掷触点中每个动触点对应的两个静触点分别与接收线路和发送线路连接；继电器K1的两个常开触点分别与继电器K1的双刀双掷触点的动触点连接，两个常开触点的另一端分别连接超声波换能器P1和超声波换能器P2；所述两个常开触点还分别与电容和电阻串联后的串联线路并联；所述接收线路和发送线路分别连接超声波发射电路和超声波接收电路。
所述测温电路为PT100测温电路。
本发明中超声波换能器采用型号为US200-18A，该换能器具有收发一体的特点，其技术参数为：带宽为16.0KHz，灵敏度：-60dB min，最小并联阻抗：600欧姆±30％，静态电容：400Pf±20％，最高输入电压：500Vp-p，方向角：7°±2°(-6dB)，检测范围：0.1～2m(反射)，防护等级：IP65，工作温度：-40℃～80℃，储存温度：-40℃～ 85℃，外壳材料：铝壳，该换能器使用起来稳定且便捷。
如图1所示，超声波流量计通过DSP处理器I/O口输出高低电平，控制通道选择开关的切换，从而实现换能器交替发射和接收超声波信号。考虑到控制模拟通道开关较为简单，且操作时无电气干扰，因此本设计中采用继电器对模拟信号进行切换控制。此外，由于继电器的使用功率应与电路中的电源功率相等，因此设计中选择使用OMRON 公司的24V供电电源继电器，我们使用到了继电器中的两个双刀双掷的开关以及两路开关通道。在流量测量过程中，接收和发送超声波信号是通过DSP处理器I/O端口输出高低电平来控制继电器的通断实现的，当I/O口输出为低电平时，继电器两端具有一定的压降，继电器处理“常开”状态，从而使得触点1和4分别选通2和5号引脚，于是接收信号由1号开关线路传送，发送信号由2号开关线路传送。图4为开关通道选择换能器的原理图，当I/O口输出为低电平时，继电器处于“常开”状态，从而使得开关1和2都吸和，于是1号开关路线对应换能器P1，2号开关路线对应换能器P2，由之前的分析可知，换能器 P1接收超声波信号，而换能器P2则发送超声波信号。
由于换能器接收到的信号频率在40kHz左右，所以带通滤波的中心频率最好设置在40kHz左右，这样可以最大程度的放大中心频率附近的信号分量，对中心频率以外的信号呈现出很大的衰减作用。本设计选用有源二阶带通滤波器，其滤波器原型如图2所示，电阻R4和电容C3组成低通网络，允许低频信号通过，电阻R5和电容C4组成高通网络，允许高频信号通过，两者串联构成了无源带通滤波电路，调节电阻R4和电容C3及电阻R5和电容C4的参数值可以调整带通滤波电路的中心频率。
电容C4与电阻R5连接的一端还与放大器U1的输入端负极连接，放大器U1的输入端正极通过电阻C5接地，放大器U1的输出端与过零比较电路连接。在带通滤波电路的末端接上一个电压放大器，使得带通滤波店里与负载隔离开，三者组成了有源二阶带通滤波电路，同时电压放大器可以对过滤出的信号实现放大。
所述过零比较电路包括电容C6，电容C6一端与放大器U1的输出端连接，电容C6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2 的负极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极通过电阻R9与电源VCC连接并接入DSP信号处理器的输入端，所述二极管D2的负极还与电容C7连接，电容C7 的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与二极管D2 的正极连接，所述三极管Q2的基极还与电阻R8连接，电阻R8和电容C7共同接地。
如图3所示由DSP产生的200kHz PWM信号，直接输送至三极管Q1的基极，驱动开关三极管Q1的开与关。开关三极管Q1的开与关，直接控制升压中周T1初级线圈导通与断开，从而产生200kHz的耦合信号，耦合到次级线圈，使次级线圈产生200kHz的高压震荡信号驱动超声波换能器P1发送超声波脉冲。
Claims (5)
1.一种超声波流量计，其特征在于：包括DSP，DSP的输入端分别与接收电路、测温电路、时钟电路、电源电路连接，DSP的输出端与发射电路和通讯电路连接，所述发射电路和接收电路之间还连接后通道选择电路，通道选择电路通过DSP切换换能器。
2.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于：所述接收电路包括前置放大电路、带通滤波电路、过零比较电路；
所述前置放大电路包括电容C1，电容C1的一端与超声波换能器连接，另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极通过电阻R3接地，三极管Q1的集电极与电阻R2连接，三极管Q1的基极还通过电阻R1与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电源VCC连接，三极管Q1的集电极还与电容C2连接，电容C2的另一端与带通滤波电路连接；
所述带通滤波电路包括电阻R4，电阻R4的另一端与电容C4、电容C3、电阻R5共同连接的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与电容C4的另一端连接且做为过滤信号的输出端；
所述电容C4与电阻R5连接的一端还与放大器U1的输入端负极连接，放大器U1的输入端正极通过电阻C5接地，放大器U1的输出端与过零比较电路连接；
所述过零比较电路包括电容C6，电容C6一端与放大器U1的输出端连接，电容C6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极通过电阻R9与电源VCC连接并接入DSP信号处理器的输入端，所述二极管D2的负极还与电容C7连接，电容C7的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述三极管Q2的基极还与电阻R8连接，电阻R8和电容C7共同接地。
3.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于：所述发射电路包括一个三极管，三极管的基极与DSP控制器的信号输出端连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极与变压器的初级侧的一端连接，变压器的初级侧的另一端与一个电阻连接并通过一个电容接地，该电阻与+12V电源连接；变压器的次级侧一端接地，另一端通过电阻与超声波换能器的输入端连接。
4.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于：通道选择电路包括继电器K1，继电器K1与二极管D1并联，二极管D1的负极与24V电源连接，二极管D1的正极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与电阻R4连接，电阻R4的另一极与控制器的I/O口连接，所述三极管Q1的基极还与电阻R3连接后与其发射极共同接地；所述通道选择电路还包括继电器K1的双刀双掷触点，继电器K1的双刀双掷触点中每个动触点对应的两个静触点分别与接收线路和发送线路连接；继电器K1的两个常开触点分别与继电器K1的双刀双掷触点的动触点连接，两个常开触点的另一端分别连接超声波换能器P1和超声波换能器P2；所述两个常开触点还分别与电容和电阻串联后的串联线路并联；所述接收线路和发送线路分别连接超声波发射电路和超声波接收电路。
5.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于：所述测温电路为PT100测温电路。
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| CN202022830220.0U CN213688508U (zh) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | 一种超声波流量计 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117109677A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-24 | 唐山大方汇中仪表有限公司 | 矿用多声道超声波流量计 |
| CN117109677B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-05-14 | 唐山大方汇中仪表有限公司 | 矿用多声道超声波流量计 |
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| CN117109677A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-24 | 唐山大方汇中仪表有限公司 | 矿用多声道超声波流量计 |
| CN117109677B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-05-14 | 唐山大方汇中仪表有限公司 | 矿用多声道超声波流量计 |
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