專利名稱：高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)及其測量流量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量測量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)及其測量流量方法。
背景技術(shù)：
超聲波流量計相對于機械式和電磁式流量儀表而言，具有對管徑的適應(yīng)性強、量程比大、無可動部件、非接觸測量，零壓力損失、易于維護等優(yōu)點，被視為最有發(fā)展前景的流量計量設(shè)備，特別是近年來在供暖熱計量中得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波流量測量作為一種體積計量方法主要通過以下五個步驟進行I)管道內(nèi)部超聲波探頭在流體中發(fā)射聲波，啟動計時，在一定時間之后接收超聲波信號。2)對接收到的超聲波信號進行預(yù)處理，判斷聲波到達時間，結(jié)束計時，得到聲路上下游聲波順程傳播時間。3)重復(fù)I)、2)步，但原發(fā)射換能器變?yōu)榻邮論Q能器，接收換能器變?yōu)榘l(fā)射換能器，得到聲路上下游聲波逆程傳播時間。4)依據(jù)順程和逆程的傳播時間差值、測量時流體的溫度，以及在該溫度下聲波在流體中的傳播速度，計算出流體流速。5)由測量管道面積，和測量溫度壓力下流體的密度值，計算出流體流量?，F(xiàn)有技術(shù)中存在如下缺點I)現(xiàn)有的超聲波流量計采用多脈沖發(fā)射電路或高壓窄帶脈沖信號發(fā)生電路發(fā)射超聲波。但多脈沖發(fā)射電路能量不集中，接收信號首波幅度較小，信噪比差，接收信號處理電路復(fù)雜、成本較高；而用高壓窄帶脈沖信號發(fā)射超聲波時，換能器不能完全轉(zhuǎn)換脈沖信號能量內(nèi)部存在高次諧振即不能完全轉(zhuǎn)換并發(fā)送出脈沖信號中的所有頻率成分，導(dǎo)致?lián)Q能器內(nèi)部存在高頻諧振，在接收信號時產(chǎn)生干擾，只能單獨作為發(fā)射或接收用；而采取多聲道布置方案進行正、反向時間差測量，使得器件增多，電路復(fù)雜，而且由于聲道增多需要更多的布置空間，不適合小管徑流速測量。 2)現(xiàn)有的超聲波流量計采用FPGA或CPLD電路搭配晶振來計時，系統(tǒng)復(fù)雜且計時分辨率僅為5-lOns ;或采用計時芯片TDC-GP2開發(fā)計時電路，雖然計時分辨率能達到65ps，但價格昂貴，占流量計成本比重大，不利于成本控制。另外，采用專用計時芯片進行時差時，流量計電路中的微處理控制芯片A/D功能閑置，芯片利用率較低。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述中存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計及其測量流量方法。該方法采用單周期正弦波超聲換能器驅(qū)動電路，并且利用微處理芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊開發(fā)時間測量電路，實現(xiàn)高精度計時功能，不僅測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，而且期間利用率高，成本相對較低易于控制。
所述技術(shù)方案如下高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，所述流量計包括:MCU控制單元、單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元、收發(fā)切換單元、超聲波換能器組、超聲波信號處理單元及鑒相積分單元，所述MCU控制單元，用于發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；收發(fā)切換單元，選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量；單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，用于產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器；超聲波換能器，包括發(fā)射換能器和接收換能器，用于超聲波信號的發(fā)射和接收，并將超聲波信號傳送至超聲波信號處理單元；超聲波信號處理單元，用于將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；鑒相積分單元，用于將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間。高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，所述方法包括發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量；產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器；將超聲波信號發(fā)送到超聲波信號處理單元；將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據(jù)超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和和管道直徑計算得到管道流體單位時間流量大小。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是利用數(shù)字延時電路、LC諧振電路和磁環(huán)變壓器設(shè)計的低壓源單周期正弦波驅(qū)動電路，發(fā)射能量大，發(fā)射頻率與換能器諧振頻率一致，不存在高頻諧波殘留，并且電路簡單、容易實現(xiàn)。本發(fā)明利用積分電路和微處理控制芯片A/D功能開發(fā)的計時電路，3-lOOns的微小時段測量中時間分辨率達到了 45ps，在100ns-2us時段測量中分辨率達到了 lOOps，計時精確、性能穩(wěn)定，系統(tǒng)更加簡單經(jīng)濟。此外如果提高標(biāo)準(zhǔn)延時信號的控制精度或者采用A/D精度更高的控制芯片，將能達到更高的分辨率。


圖I是基于本發(fā)明的超聲波流量計系統(tǒng)原理圖；圖2是基于本發(fā)明的超聲波流量計結(jié)構(gòu)示意圖3是基于本發(fā)明的超聲波流量計系統(tǒng)測量方法流程圖；圖4是本發(fā)明提供的低壓源單周期正弦波發(fā)射驅(qū)動電路；圖5是本發(fā)明提供的鑒相積分電路示意圖。
具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述參見圖1，基于本發(fā)明的超聲波流量計系統(tǒng)原理圖，所述系統(tǒng)包括MCU控制單元
I、單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元2、收發(fā)切換單元3、超聲波換能器組4、超聲波信號處理單元5及鑒相積分單元6，所述MCU控制單元，用于發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；收發(fā)切換單元，將接收到的控制信號發(fā)送到超聲換能器，并對超聲換能器進行選定;單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，用于產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器；超聲波換能器，包括發(fā)射換能器和接收換能器，用于超聲波信號的發(fā)射和接收，并將超聲波信號傳送至超聲波信號處理單元；超聲波信號處理單元，用于將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；鑒相積分單元，用于將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間。上述單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元包括數(shù)字延時電路、LC濾波電路和磁環(huán)變壓器，由所述數(shù)字延時電路產(chǎn)生單周期脈沖信號；由LC濾波電路將單周期脈沖信號濾波為單周期正弦波；由磁環(huán)變壓器將低電壓正弦波信號升壓至適中電壓。上述鑒相積分單元包括鑒相電路和At/Au積分電路，由所述鑒相電路得到聲波順程傳播時間或逆程傳播時間與標(biāo)準(zhǔn)延時信號的時差相同寬度的矩形波信號；由所述At/Au積分電路將時差相同寬度的矩形波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。上述MCU控制單元包括標(biāo)準(zhǔn)時間信號產(chǎn)生單元7和A/D轉(zhuǎn)換電路8，由所述A/D轉(zhuǎn)換電路將A t/Au積分電路輸出的電壓值轉(zhuǎn)為MCU控制單元運算的數(shù)字量，并由MCU控制單元求得模擬積分電壓對應(yīng)的時差大小，根據(jù)時差計算得到管道內(nèi)流體流速，通過截面面積經(jīng)流量修正系統(tǒng)修正得到超聲波體積流量。參見圖2基于本發(fā)明的超聲波流量計結(jié)構(gòu)示意圖，MCU控制單元、單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元、收發(fā)切換單元、超聲波換能器、濾波放大電路、放大電路、整形電路、鑒相電路、積分控制開關(guān)、At/Au積分電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及標(biāo)準(zhǔn)延時模塊。上述收發(fā)切換單元包括發(fā)送切換開關(guān)和接收切換開關(guān)；上述鑒相電路用來產(chǎn)生時差，時差時超聲波換能器接收信號與標(biāo)準(zhǔn)延時的時間間隔，逆程測得時間間隔減去順程測得時間間隔，即為流量計中超聲波傳播時差。
本實施例還提供了一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，該方法包括發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；將接收到的控制信號發(fā)送到超聲換能器，并對超聲換能器進行選定；產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器；將超聲波信號發(fā)送到超聲波信號處理單元； 將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據(jù)超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和管道直徑計算得到管道內(nèi)流體單位時間流量大小。參見圖3，基于本發(fā)明的超聲波流量計系統(tǒng)測量方法流程，具體包括1)MCU單元發(fā)送控制信號至收發(fā)切換單元，選定超聲波發(fā)射換能器和接收器進行順程傳播時間測量；2)MCU單元發(fā)送控制信號至單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，驅(qū)動發(fā)射超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時啟動標(biāo)準(zhǔn)延時程序，開始計時；3)將超聲波信號經(jīng)由放大濾波電路、放大電路和整形電路后轉(zhuǎn)換為脈沖信號，送往鑒相積分單元；4)標(biāo)準(zhǔn)延時程序中斷，MCU單元產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)延時信號送至鑒相積分單元，與整形電路輸出的脈沖信號進行鑒相，得到超聲波相對傳播時間，即時間差，通過△ t/ △ u積分電路將時間段信號轉(zhuǎn)換為電壓量；5)開啟MCU單元A/D轉(zhuǎn)換模塊，將積分電路輸出的電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并送往存儲器存儲。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換模塊的最大值為N，對應(yīng)的最大積分時間為t_，當(dāng)At/Au積分電路輸出為Aud時，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后得到數(shù)值Nd，則超聲波接收信號脈沖與標(biāo)準(zhǔn)延時信號的時間間隔(順程傳播時間)
NdG = f X ^ax在采用12位A/D，標(biāo)準(zhǔn)延時信號分辨率為250ns時，測量IOOns時間段，精度可達
43ps06)MCU單元發(fā)送控制信號至收發(fā)切換單元，選定原接收換能器為發(fā)射換能器，準(zhǔn)備逆程測量。7)重復(fù)執(zhí)行上述2)、3)、4)獲得逆程傳播時間tc。8)由順程傳播時間td和逆程傳播時間t。，得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差A(yù)t:At= I td-tc參見圖4，為本發(fā)明提供的低壓源單周期正弦波發(fā)射驅(qū)動電路，該電路包括D鎖存器1、D鎖存器2、D鎖存器3、電容C和磁環(huán)變壓器L-TRANS。MCU時鐘信號經(jīng)過D鎖存器I分頻后，接入D鎖存器2和D鎖存器3，在D鎖存器2和D鎖存器3的Q 端輸出周期為4倍MCU時鐘信號周期的正半周期信號，經(jīng)過LC串聯(lián)諧振電路濾除高頻分量后，變?yōu)閱沃芷谡倚盘柦?jīng)磁環(huán)變壓器L-TRANS升壓后作為超聲波發(fā)射驅(qū)動信號接入超聲波換能器。參見圖5，為本發(fā)明提供的鑒相積分電路示意圖，該電路包括由D鎖存器4、與門I組成的鑒相殿宇和由電阻R1、電阻R2、開關(guān)SI、開關(guān)S2、電容Cl和運放I組成的積分電路。由MCU單元標(biāo)準(zhǔn)延時模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)延時信號，作為預(yù)置信號加在D鎖存器4的CLR端和與門I的輸入端，與接入CLK端的超聲波接收信號 (脈沖)進行鑒相；與門I的輸出為標(biāo)準(zhǔn)延時信號與超聲波接收信號之間的時差，并將該時差信號作為積分開關(guān)SI、S2的控制信號，選擇積分電流的大小和方向。積分器的輸出與時差大小成線性關(guān)系的電壓量，接入MCU單元的A/D模塊進行量化。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:MCU控制單元、單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元、收發(fā)切換單元、超聲波換能器組、超聲波信號處理單元及鑒相積分單元，所述 MCU控制單元，用于發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差； 收發(fā)切換單元，選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量； 單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，用于產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器； 超聲波換能器，包括發(fā)射換能器和接收換能器，用于超聲波信號的發(fā)射和接收，并將超聲波信號傳送至超聲波信號處理單元； 超聲波信號處理單元，用于將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號； 鑒相積分單元，用于將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據(jù)超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和管道直徑計算得到管道流體單位時間流量大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于， 超聲波信號經(jīng)過發(fā)射換能器時得到超聲波順程傳播時間； 超聲波信號經(jīng)過接收換能器時得到超聲波逆程傳播時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于，所述單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元包括數(shù)字延時電路、LC濾波電路和磁環(huán)變壓器，由所述數(shù)字延時電路產(chǎn)生單周期脈沖信號；由LC濾波電路將單周期脈沖信號濾波為單周期正弦波；由磁環(huán)變壓器將低電壓正弦波信號升壓至適中電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波信號處理單元包括帶通濾波放大電路和比較整形電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于，所述鑒相積分單元包括鑒相電路和At/Au積分電路，由所述鑒相電路得到聲波順程傳播時間或逆程傳播時間與標(biāo)準(zhǔn)延時信號的時差相同寬度的矩形波信號；由所述At/Au積分電路將時差相同寬度的矩形波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)，其特征在于，所述MCU控制單元包括標(biāo)準(zhǔn)時間信號產(chǎn)生單元和A/D轉(zhuǎn)換電路，由所述A/D轉(zhuǎn)換電路將At/Au積分電路輸出的電壓值轉(zhuǎn)為MCU控制單元運算的數(shù)字量，并由MCU控制單元求得模擬積分電壓對應(yīng)的時差大小，根據(jù)時差計算得到管道內(nèi)流體流速，通過截面面積經(jīng)流量修正系統(tǒng)修正得到超聲波體積流量。
7.高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，所述方法包括 發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，及 發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差； 選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量；產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器； 將超聲波信號發(fā)送到超聲波信號處理單元； 將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號； 將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據(jù)超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和管道直徑計算得到管道流體單位時間流量大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，其特征在于， 所述超聲波順程傳播時間是由超聲波信號經(jīng)過發(fā)射換能器得到； 所述超聲波逆程傳播時間是由超聲波信號經(jīng)過接收換能器得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，由所述數(shù)字延時電路產(chǎn)生單周期正弦波信號；由LC濾波電路將單周期脈沖信號濾波為單周期正弦波；由磁環(huán)變壓器將低電壓正弦波信號升壓至適中電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，由鑒相電路得到聲波順程傳播時間或逆程傳播時間與標(biāo)準(zhǔn)延時信號的時差相同寬度的矩形波信號；由At/Au積分電路將時差相同寬度的矩形波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號； 由A/D轉(zhuǎn)換電路將△ t/Au積分電路輸出的電壓值轉(zhuǎn)為MCU控制單元運算的數(shù)字量，并由MCU控制單元求得模擬積分電壓對應(yīng)的時差大小，根據(jù)時差計算得到管道內(nèi)流體流速，通過截面面積經(jīng)流量修正系統(tǒng)修正得到超聲波體積流量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統(tǒng)及其測量方法，所述方法包括發(fā)送控制信號到收發(fā)切換單元和單脈沖信號發(fā)射驅(qū)動單元，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；選定超聲波換能器；產(chǎn)生單周期正弦波信號，并將信號發(fā)送到超聲波換能器；將超聲波信號發(fā)送到超聲波信號處理單元；將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；將到達信號與所述標(biāo)準(zhǔn)延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據(jù)超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和管道直徑計算得到管道流體單位時間流量大小。
文檔編號G01F1/66GK102749107SQ201210236748
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者譚文勝 申請人:廣州柏誠智能科技有限公司