CN216954658U

CN216954658U - 一种四声道超声波气体流量测量电路板

Info

Publication number: CN216954658U
Application number: CN202220466453.3U
Authority: CN
Inventors: 张科
Original assignee: Xi'an Analog Perception Information Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Analog Perception Information Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2032-03-04

Abstract

本实用新型属于气体流量测量技术领域，公开了一种四声道超声波气体流量测量电路板，FPGA处理器与ARM处理器连接，FPGA处理器与超声波通道切换及可变增益控制电路连接；FPGA处理器与方波信号驱动器连接，方波信号驱动器与换能器驱动器连接；FPGA处理器与ADC转换器连接，ADC转换器与可变增益放大器连接，可变增益放大器与回波信号调理器连接。ARM处理器分别与RS‑485接口、脉冲输出接口和模拟量输出接口连接。本实用新型四声道超声波气体流量测量电路板为一种基于互相关原理的超声波气体流量测量电路板，可以准确捕捉气体流量的瞬态变化，同时抑制湍流，温度，压力变化带来的影响。

Description

一种四声道超声波气体流量测量电路板

技术领域

本实用新型属于气体流量测量技术领域，尤其涉及一种四声道超声波气体流量测量电路板。

背景技术

现有技术中在阈值电压处可能检测不到接收信号，或者检测到的信号在不同的信号周期内，导致最终计算的渡越时间准确度难以保证，从而导致最终计算出的流速和流量的准确度无法提升。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种四声道超声波气体流量测量电路板。

本实用新型是这样实现的，一种四声道超声波气体流量测量电路板，所述四声道超声波气体流量测量电路板设置有FPGA处理器；

FPGA处理器与ARM处理器连接，FPGA处理器与超声波通道切换及可变增益控制电路连接；FPGA处理器与方波信号驱动器连接，方波信号驱动器与换能器驱动器连接；

FPGA处理器与ADC转换器连接，ADC转换器与可变增益放大器连接，可变增益放大器与回波信号调理器连接。

进一步，所述ARM处理器分别与RS-485接口、脉冲输出接口和模拟量输出接口连接。

进一步，所述模拟量输出接口与第一电源分配器连接，第一电源分配器与外部电源连接。

进一步，所述第一电源分配器分别与RS-485接口、脉冲输出接口相连。

进一步，所述ARM处理器分别与压力传感器和温度传感器连接。

进一步，所述超声波通道切换及可变增益控制电路分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

进一步，所述换能器驱动器分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

进一步，所述回波信号调理器分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

进一步，所述超声波通道切换及可变增益控制电路与升压器连接，升压器与第二电源分配器连接，第二电源分配器与电池包连接。

本实用新型的另一目的在于提供一种所述四声道超声波气体流量测量电路板在气体流量测量中的应用。

结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：本实用新型四声道超声波气体流量测量电路板为一种基于互相关原理的超声波气体流量测量电路板，最小测量流量和精度指标已达国际一流，目前整表实验数据准确度已经优于0.5％，可以准确捕捉气体流量的瞬态变化，同时抑制湍流，温度，压力变化带来的影响。现有的我国常用的气体流量测量电路板芯片计时精度已达到p秒级，难以继续升级；准确度一般，易受干扰；适用口径小，适用声道数小。而本实用新型噪声相对不敏感，抗干扰性强，测量准确高，适配各种口径，通用性好，适用于多声道各型产品。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的四声道超声波气体流量测量电路板结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的方波激励信号施加给换能器A电路连接示意图。

图3是本实用新型实施例提供的方波激励信号施加给换能器B电路连接示意图。

图4是本实用新型实施例提供的回波信号调理与可变增益放大原理图。

图中：1、第一换能器矩阵开关；2、第二换能器矩阵开关；3、第三换能器矩阵开关；4、第四换能器矩阵开关；5、超声波通道切换及可变增益控制电路； 6、换能器驱动器；7、方波信号驱动器；8、回波信号调理器；9、可变增益放大器；10、ADC转换器；11、FPGA处理器；12、ARM处理器；13、RS-485 接口；14、脉冲输出接口；15、模拟量输出接口；16、第一电源分配器；17、外部电源；18、压力传感器；19、温度传感器；20、电池包；21、升压器；22、第二电源分配器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种四声道超声波气体流量测量电路板，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的四声道超声波气体流量测量电路板设置有FPGA处理器11，FPGA处理器11与ARM处理器12连接；ARM处理器12分别与压力传感器18和温度传感器19连接，ARM处理器12分别与RS-485 接口13、脉冲输出接口14和模拟量输出接口15连接；模拟量输出接口15与第一电源分配器16连接，第一电源分配器16与外部电源17连接，第一电源分配器16分别与RS-485接口13、脉冲输出接口14和模拟量输出接口15都相连。其中，超声波通道切换及可变增益控制电路5与升压器21连接，升压器21与第二电源分配器22连接，第二电源分配器22与电池包20连接。

FPGA处理器11与超声波通道切换及可变增益控制电路5连接，超声波通道切换及可变增益控制电路5分别与第一换能器矩阵开关1、第二换能器矩阵开关2、第三换能器矩阵开关3、第四换能器矩阵开关4连接；FPGA处理器11 与方波信号驱动器7连接，方波信号驱动器7与换能器驱动器6连接，换能器驱动器6分别与第一换能器矩阵开关1、第二换能器矩阵开关2、第三换能器矩阵开关3、第四换能器矩阵开关4连接。

FPGA处理器11与ADC转换器10连接，ADC转换器10与可变增益放大器9连接，可变增益放大器9与回波信号调理器8连接，回波信号调理器8分别与第一换能器矩阵开关1、第二换能器矩阵开关2、第三换能器矩阵开关3、第四换能器矩阵开关4连接。

下面结合实验对本实用新型的技术方案作详细的描述。

本实用新型实施例提出的超声波气体流量测量电路板具有四个测量声道，电路板承担信号收发，计算处理，人机控制及通信传输等功能，其安装在超声波流量计壳体内，与外部超声波换能器，压力与温度传感器以及显示屏连接，通过电池供电。流量检测结果可通过脉冲信号或模拟量直接输出，同时也具有 RS-485标准通信总线。如图1所示，四声道超声波气体流量测量电路板采用FPGA+ARM平台设计，其中FPGA采用Xilinx公司的A系列XC7A35T型FPGA， ARM采用STM32F407型低功耗处理器，可以保证四声道超声波数据的实时处理和计算，同时也预留了产品升级的可扩展性。

本实用新型实施例的换能器矩阵开关具体的电路结构为：测量电路板只设计一路激励产生电路和一路回波采集电路，因此四个通道的超声波换能器采取轮流工作的方式，由光耦+PMOS管组成的矩阵开关控制CH1～CH4通道按顺序导通。如图2-图3所示，CH1通道首先工作，FPGA处理器控制开关1和4闭合，开关2和3断开，此时方波激励信号施加给换能器A，从而激发超声波信号，信号经气体中传输后，由换能器B接收转化为电信号后送至回波信号处理电路；然后再将开关1和4断开，开关2和3闭合，此时方波激励信号施加给换能器B，从而激发超声波信号，信号经气体中传输后，由换能器A接收转化为电信号后送至回波信号处理电路。A到B以及B到A的传输时间计算出后即可得到介质气体的流量数据。CH1通道工作完成后，CH2，CH3和CH4依次工作，过程与以上描述相同。

本实用新型实施例的回波信号调理与可变增益放大电路具体的电路结构为：回波信号调理与可变增益放大部分共分三级，如图4所示。第一级为高阻抗输入，固定增益10倍，采用高输入阻抗，低偏置电流和低失调电压型元件搭建；第二级为可变增益放大，放大倍数1，5，10和100倍可调，由FPGA处理器控制可变电阻网络实现；第三级为有源二阶带通滤波器，中心频率与超声波频率一致为200KHz。

控制板主要由3.6V电池包供电，因此需通过DC/DC和LDO将其转换为更高的5V以及其他1.0，1.2及3.3V电压。外部通信接口采用单独电源网络，通过外部24V电源供电，内部通过DC/DC将其转换为标准的5V和3.3V供电。

本实用新型的工作原理为：四声道共包括8个超声波换能器，综合考虑系统性能要求和成本因素，四个声道采用异步工作方式，通过换能器矩阵开关(第一换能器矩阵开关1、第二换能器矩阵开关2、第三换能器矩阵开关3、第四换能器矩阵开关4)分时轮流工作，能使每一对换能器工作，而换能器驱动器6和回波信号调理器8均只使用一路即可满足要求。

激励信号采用200KHz的5周期方波信号，由FPGA产生，经电压转换后驱动开关管产生放大后的激励信号施加给换能器。而回波信号经滤波和可变增益放大后，传输给ADC转换器10进行数字化转换，然后送至FPGA处理器11。 FPGA处理器11主要负责超声波前端电路通道切换，超声波激励信号产生，回波信号增益控制与采集，将这些数据采集和预处理后，送至ARM处理器12。 ARM处理器12在接收到FPGA处理器11发送来的各通道超声波传播时间数据后，结合温度及压力测量数据，得出流速和流量信息。测量结果可通过RS-485 接口13，脉冲输出接口14以及4～20mA模拟量输出接口15的方式，与外部控制设备进行传输。超声波通道切换及可变增益控制电路5采用3.6V电池包20 供电，而在使用通信接口进行数据传输的情况下，接口部分采用24V外部电源 17供电。

本实用新型的四声道超声波气体流量测量电路板经过西安航天计量测试研究所检定，证书编号：Certificate:JD221300309；采用依据为JIG 1030-2007超声流量计检定规程，检定结果为：

(一)检定条件

检定介质:空气；

介质温度:18.0℃；

介质压力:96.360kPa；

(二)检定结果

流量范围:(3～160)m³/h

分界流量:16m²/h

仪表系数K:72184.8(m³)^-1

检定数据:

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述四声道超声波气体流量测量电路板设置有：

FPGA处理器；

2.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述ARM处理器分别与RS-485接口、脉冲输出接口和模拟量输出接口连接。

3.如权利要求2所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述模拟量输出接口与第一电源分配器连接，第一电源分配器与外部电源连接。

4.如权利要求3所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述第一电源分配器分别与RS-485接口、脉冲输出接口相连。

5.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述ARM处理器分别与压力传感器和温度传感器连接。

6.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述超声波通道切换及可变增益控制电路分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

7.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述换能器驱动器分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

8.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述回波信号调理器分别与第一换能器矩阵开关、第二换能器矩阵开关、第三换能器矩阵开关、第四换能器矩阵开关连接。

9.如权利要求1所述四声道超声波气体流量测量电路板，其特征在于，所述超声波通道切换及可变增益控制电路与升压器连接，升压器与第二电源分配器连接，第二电源分配器与电池包连接。