用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于超聲波流量表設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元接收主控模塊輸出的控制信號來控制信號放大電路與上游端換能器的通斷或與下游端換能器的通斷；開關(guān)轉(zhuǎn)換單元包括開關(guān)S1、S2，開關(guān)S1、S2均由多個(gè)MOS管構(gòu)成。還提供一種設(shè)置第一、二匹配單元的電路。通過開關(guān)轉(zhuǎn)換單元的切換功能，提高了信號放大電路的利用率，簡化電路。通過匹配單元，匹配換能器頻率和阻抗；隔離電路直流分量，降低直流分量對換能器的影響；濾除換能器在激勵(lì)信號作用下產(chǎn)生的短暫高壓；補(bǔ)償溫度漂移。
【專利說明】 用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于超聲波流量表設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲波流量表是利用超聲波時(shí)差原理，來實(shí)現(xiàn)對液體或氣體流量進(jìn)行計(jì)量的裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械式計(jì)量表相比，超聲波流量計(jì)量表具有始動(dòng)流量低、高計(jì)量準(zhǔn)確度高、壓損小等優(yōu)勢，正是由于這些優(yōu)良特性，超聲波流量計(jì)量表廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域。
[0003]采用時(shí)差法原理制造的超聲波流量計(jì)是目前流行的超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方法之一。其設(shè)計(jì)原理為:安裝有雙向超聲波收發(fā)一體化換能器的流體測量管道，在順流和逆流方向交替發(fā)射超聲波信號并接收超聲波產(chǎn)生回波信號，并以此計(jì)算出超聲波在流體傳播中，一次交替所產(chǎn)生的傳播時(shí)差。后經(jīng)相關(guān)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算出管道內(nèi)流體流量。因此，在流量檢測電路中通常采用信號通道控制電路來控制激勵(lì)信號與兩個(gè)收發(fā)一體式換能器的通斷來實(shí)現(xiàn)順流和逆流雙向發(fā)射超聲波的目的。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，信號通道控制電路中采用的模擬開關(guān)內(nèi)阻較大，導(dǎo)致信號衰減嚴(yán)重，不利于換能器的激勵(lì)。另外，現(xiàn)有的信號通道控制電路也不能匹配超聲波換能器的阻抗和頻率；值得關(guān)注的是，換能器在激勵(lì)信號激勵(lì)下會產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，換能器的表面會在短時(shí)間內(nèi)集聚高壓，影響電路工作的穩(wěn)定性；再一方面，激勵(lì)信號發(fā)生電路中往往會存在直流分量，會影響換能器的極化性能，進(jìn)而影響換能器的壓電應(yīng)變常數(shù)d33以及壓電電壓常數(shù)g33的線性度。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的首要目的在于提供一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，有效降低了模擬開關(guān)S1、S2對通道信號的遲滯和衰減。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元接收主控模塊輸出的控制信號來控制信號放大電路與上游端換能器的通斷或與下游端換能器的通斷；開關(guān)轉(zhuǎn)換單元包括開關(guān)S1、S2，開關(guān)S1、S2均由多個(gè)MOS管構(gòu)成。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型存在以下技術(shù)效果:通過開關(guān)轉(zhuǎn)換單元的切換功能，提高了信號放大電路的利用率，簡化電路。
[0008]本實(shí)用新型的另一個(gè)目的在于提供一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，匹配換能器的頻率和阻抗并減少對換能器的影響。
[0009]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元以及第一、二匹配單元，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元與信號放大電路相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元分別經(jīng)過第一、二匹配單元與上游端換能器、下游端換能器相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元接收主控模塊輸出的控制信號來控制信號放大電路與上游端濾波器的通斷或與下游端濾波器的通斷。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型存在以下技術(shù)效果:匹配換能器頻率和阻抗；隔離電路直流分量，降低直流分量對換能器的影響；濾除換能器在激勵(lì)信號作用下產(chǎn)生的短暫高壓；補(bǔ)償溫度漂移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一的原理框圖；
[0012]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例二的原理框圖；
[0013]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路圖；
[0014]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例二的電路圖，其中的開關(guān)由MOS管構(gòu)成；
[0015]圖5是本實(shí)用新型中換能器的阻抗相角圖；
[0016]圖6是本實(shí)用新型中串聯(lián)電容匹配換能器的電抗曲線；
[0017]圖7是本實(shí)用新型所對應(yīng)的流量檢測系統(tǒng)的原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合圖1至圖7,對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
[0019]實(shí)施例一:
[0020]參閱圖1，一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41包括開關(guān)S1、S2，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41接收主控模塊10輸出的控制信號來控制信號放大電路30與上游端換能器51的通斷或與下游端換能器52的通斷，其通斷過程具體如下:當(dāng)測量超聲波順流時(shí)間時(shí)，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41先閉合開關(guān)S1、斷開開關(guān)S2，上游端換能器51接收激勵(lì)信號產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射完畢后，斷開開關(guān)S1、閉合開關(guān)S2，下游端換能器52接收到超聲波后輸出回波信號；保持開關(guān)SI斷開、S2閉合狀態(tài)，進(jìn)行超聲波逆流時(shí)間的測量，此時(shí)下游端換能器52接收激勵(lì)信號產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射完畢后，斷開開關(guān)S2、閉合開關(guān)SI，上游端換能器51接收到超聲波后輸出回波信號。這里的關(guān)鍵是開關(guān)S1、S2均是由多個(gè)MOS管構(gòu)成的，避免了現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)內(nèi)阻大、信號衰減嚴(yán)重的問題。
[0021]參閱圖3，優(yōu)選地，開關(guān)S1、S2按如下方式設(shè)置:所述的開關(guān)SI包括16個(gè)MOS管Q3 ?Q18，其中 MOS 管 Q52、Q54 ?Q59、Q85 為 PMOS 管，MOS 管 Q60 ?Q66、Q69 為 NMOS 管；MOS管Q4、Q10、Qll的柵極接收主控模塊10輸出的控制信號，MOS管Q4、Qll的漏極與MOS管Q18的柵極相連，MOS管Q6、Q14的柵極與信號放大電路30的輸出端相連，MOS管Q6、Q11的源極相連并連接VCC，MOS管Q4、Q14的源極相連并連接VSS，MOS管Q10、Q18的源極與MOS管Q6的漏極相連，MOS管Q10、Q18的漏極與MOS管Q14的漏極相連；M0S管Q7、Q8、Q9、Q5、Q3的源極均連接VCC，MOS管Q7的柵極與MOS管Q18的柵極相連，MOS管Q8、Q9、Q5、Q3的柵極以及MOS管Q7的漏極均與MOS管Q6的漏極相連；M0S管Q13、Q12、Q15、Q16、Q17的源極均連接VSS, MOS管Q13的柵極與MOS管QlO的柵極相連，MOS管Q12、Q15、Q16、Q17的源極以及MOS管Q13的漏極均與MOS管Q14的漏極相連；M0S管Q8、Q9、Q5、Q3、Q12、Q15、Q16、Q17的漏極均與上游端換能器51相連。
[0022]所述的開關(guān)S2包括16個(gè)MOS管Q52、Q54?Q66、Q69、Q84，其中MOS管Q52、Q54?Q59、Q85 為 PMOS 管，MOS 管 Q60 ?Q66、Q69 為 NMOS 管；M0S 管 Q60、Q58、Q59 的柵極接收主控模塊10輸出的控制信號，MOS管Q60、Q59的漏極與MOS管Q61的柵極相連，MOS管Q52、Q62的柵極與信號放大電路30的輸出端相連，MOS管Q52、Q59的源極相連并連接VCC，MOS管Q60、Q62的源極相連并連接VSS，MOS管Q58、Q61的源極與MOS管Q52的漏極相連，MOS管Q58、Q61的漏極與MOS管Q62的漏極相連；M0S管Q85、Q54、Q55、Q56、Q57的源極均連接VCC，MOS管Q7的柵極與MOS管Q61的柵極相連，MOS管Q54、Q55、Q56、Q57的柵極以及MOS管Q85的漏極均與MOS管Q52的漏極相連；M0S管Q63、Q64、Q65、Q66、Q69的源極均連接VSS，MOS管Q63的柵極與MOS管Q58的柵極相連，MOS管Q64、Q65、Q66、Q69的源極以及MOS 管 Q63 的漏極均與 MOS 管 Q62 的漏極相連；M0S 管 Q54、Q55、Q56、Q57、Q64、Q65、Q66、Q69的漏極均與上游端換能器51相連。
[0023]上述電路中，開關(guān)SI和開關(guān)S2的電路結(jié)構(gòu)是相同的。以開關(guān)SI為例，PMOS管QlO和NMOS管Q18的組合以及由PMOS管Q6和NMOS管Q14組成的CMOS電路的連接方式，實(shí)現(xiàn)了信號通道的低內(nèi)阻。同時(shí)與外圍的組合構(gòu)成的信號通道開關(guān)SI和S2實(shí)現(xiàn)了大電流、低電阻的信號通路，有效降低了開關(guān)S1、S2對通道信號的遲滯和衰減，實(shí)現(xiàn)開關(guān)S1、S2對信號的高夸導(dǎo)。
[0024]實(shí)施例二:
[0025]參閱圖2，一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41以及第一、二匹配單元42、43，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41與信號放大電路30相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41分別經(jīng)過第一、二匹配單元42、43與上游端換能器51、下游端換能器52相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41接收主控模塊10輸出的控制信號來控制信號放大電路30與上游端換能器51的通斷或與下游端換能器52的通斷。設(shè)置第一、二匹配單元42、43，實(shí)現(xiàn)與不同規(guī)格換能器的匹配，減少對換能器的影響。
[0026]優(yōu)選地，所述的第一匹配單元42由電容C27、電阻R45構(gòu)成；電容C27的一端與開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41相連，另一端通過電阻R45接地，其另一端還作為該電路40的輸出端與上游換能器51相連。所述的第二匹配單元43由電容C28、電阻R46構(gòu)成；電容C28的一端與開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41相連，另一端通過電阻R46接地，其另一端還作為該電路40的輸出端與下游端換能器52相連。下面結(jié)合該詳細(xì)電路進(jìn)一步說明第一、二匹配單元所帶來的有益效果:
[0027]其一，匹配換能器阻抗。在開關(guān)轉(zhuǎn)換單元41與換能器之間設(shè)置電容相當(dāng)于串聯(lián)匹配電容，串聯(lián)電容能夠匹配換能器在激勵(lì)信號頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電抗，減小換能器在激勵(lì)頻點(diǎn)的阻抗，增大發(fā)射功率并提高信號接收靈敏度。如圖5所示為本超聲波流量表中實(shí)際使用換能器的阻抗相角圖，由圖可知，當(dāng)相角Θ等于O時(shí)的頻點(diǎn)為947KHz和1014.5KHz，在此頻率范圍內(nèi)相角大于O電容器呈感性，本超聲波流量表中使用的換能器的頻率為1MHz，因此需要匹配串聯(lián)電容，形成串聯(lián)諧振。
[0028]其二，匹配換能器頻率。串聯(lián)電容匹配時(shí)，能夠提高換能器串聯(lián)諧振頻率fs，減小換能器串聯(lián)諧振頻率fs與并聯(lián)諧振頻率fp的間隔，提高收發(fā)一體式換能器的頻率響應(yīng)性能，如圖6所示，fs是串聯(lián)諧振頻率，fs’是匹配串聯(lián)電容后的串聯(lián)諧振頻率，fp是并聯(lián)諧振頻率，其中，匹配串聯(lián)電容后的并聯(lián)諧振頻率fp’等于fp。Xe曲線為串聯(lián)電容之前換能器的電抗曲線，Xe’為串聯(lián)電容之后換能器的電抗曲線，實(shí)際使用的換能器的最佳頻率應(yīng)當(dāng)處于fs和fp之間。
[0029]串聯(lián)諧振頻率fs是指當(dāng)外界作用的頻率等于換能器固有諧振頻率時(shí)，壓電陶瓷振子產(chǎn)生振幅最大、彈性能量最大的機(jī)械諧振狀態(tài)時(shí)的共振頻率；并聯(lián)諧振頻率fp是指壓電振子的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的阻抗大小相等、符號相反，因而流經(jīng)壓電振子的總電流等于零、阻抗達(dá)到最大值狀態(tài)時(shí)的共振頻率。
[0030]其三，濾除在激勵(lì)信號激勵(lì)振動(dòng)后的換能器產(chǎn)生的短暫高壓。電容C27、C28隔離激勵(lì)電路直流分量，也可以濾除激勵(lì)信號中的低頻干擾信號；電阻45、46用于快速釋放換能器因受壓而產(chǎn)生的壓電電荷，使換能器在不同壓力下，保持電學(xué)等勢壓電體狀態(tài)。
[0031]其四，補(bǔ)償溫度漂移。電容C27、C28同時(shí)用于補(bǔ)償換能器動(dòng)態(tài)電容由于溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的變化，從而減小換能器振子諧振頻率和反諧振頻率受溫度變化的影響。
[0032]在具體應(yīng)用時(shí)，可將實(shí)施例一、二同時(shí)使用，即所述的開關(guān)SI與上游端換能器51間設(shè)置有第一匹配單元42，所述的開關(guān)S2與下游端換能器52間設(shè)置有第二匹配單元43，開關(guān)S1、S2由MOS管構(gòu)成，第一、二匹配單元42、43均由電容、電阻構(gòu)成。其帶來的有益效果是兩個(gè)實(shí)施例的組合，這里就不再贅述。
[0033]圖7為本實(shí)用新型的具體應(yīng)用電路的原理框圖:
[0034]流量檢測系統(tǒng)包括主控模塊10，主控模塊10由微處理器11、激勵(lì)信號輸出電路12構(gòu)成，微處理器11控制激勵(lì)信號輸出電路12產(chǎn)生/停止產(chǎn)生激勵(lì)信號，激勵(lì)信號輸出至激勵(lì)信號處理模塊20。
[0035]激勵(lì)信號處理模塊20包括依次連接的激勵(lì)信號數(shù)量控制電路21、激勵(lì)信號調(diào)理電路22，激勵(lì)信號數(shù)量控制電路21根據(jù)微處理器11輸出的控制信號將激勵(lì)信號輸出電路12輸出的連續(xù)的方波信號轉(zhuǎn)換成具有8個(gè)周期數(shù)的方波信號，激勵(lì)信號調(diào)理電路22將激勵(lì)信號數(shù)量控制電路21輸出的方波信號調(diào)理為正弦波信號。
[0036]正弦波信號經(jīng)過信號放大電路30放大后通過信號通道控制電路40輸出至上游換能器51/下游換能器52，上游換能器51/下游換能器52發(fā)射超聲波；下游換能器51/上游換能器52接收到相應(yīng)的超聲波信號后輸出回波信號，回波信號經(jīng)過信號通道控制電路40輸出至信號放大電路30，信號放大電路30將回波信號放大后輸出至回波信號處理模塊60。
[0037]回波信號處理模塊60包括回波信號調(diào)理電路61、計(jì)時(shí)脈寬分割電路62、計(jì)時(shí)脈寬放大電路63以及計(jì)時(shí)電路64，回波信號調(diào)理電路61將信號放大電路30輸出的正弦波信號調(diào)理成方波信號并輸出至計(jì)時(shí)脈寬分割電路62，計(jì)時(shí)脈寬分割電路62、計(jì)時(shí)脈寬放大電路63對接收到的方波信號進(jìn)行分割、放大處理后輸出至計(jì)時(shí)電路64。計(jì)時(shí)電路64將計(jì)數(shù)值輸出至微處理器11，微處理器11根據(jù)順流和逆流計(jì)數(shù)值的差值以及管道截面、流體溫度等計(jì)算得出流量值。
[0038]流量檢測系統(tǒng)其他模塊或電路在本公司同日申請的其他專利中有詳細(xì)介紹，這里就不再贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)接收主控模塊(10)輸出的控制信號來控制信號放大電路(30)與上游端換能器(51)的通斷或與下游端換能器(52)的通斷；開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)包括開關(guān)S1、S2，開關(guān)S1、S2均由多個(gè)MOS管構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:所述的開關(guān)SI包括16個(gè)MOS管Q3?Q18，其中MOS管Q3、Q5?Qll為PMOS管，MOS管Q4、Q12?Q18為NMOS管；M0S管Q4、Q10、Q11的柵極接收主控模塊(10)輸出的控制信號，MOS管Q4、Qll的漏極與MOS管Q18的柵極相連，MOS管Q6、Q14的柵極與信號放大電路(30)的輸出端相連，MOS管Q6、Qll的源極相連并連接VCC，MOS管Q4、Q14的源極相連并連接VSS，MOS管Q10、Q18的源極與MOS管Q6的漏極相連，MOS管Q10、Q18的漏極與MOS管Q14的漏極相連；M0S管Q7、Q8、Q9、Q5、Q3的源極均連接VCC，M0S管Q7的柵極與MOS管Q18的柵極相連，MOS管Q8、Q9、Q5、Q3的柵極以及MOS管Q7的漏極均與MOS管Q6的漏極相連；M0S管Q13、Q12、Q15、Q16、Q17的源極均連接VSS, MOS管Q13的柵極與MOS管QlO的柵極相連，MOS管Q12、Q15、Q16、Q17的源極以及MOS管Q13的漏極均與MOS管Q14的漏極相連；M0S管Q8、Q9、Q5、Q3、Q12、Q15、Q16、Q17的漏極均與上游端換能器(51)相連。
3.如權(quán)利要求1所述的用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:所述的開關(guān) S2 包括 16 個(gè) MOS 管 Q52、Q54 ?Q66、Q69、Q84，其中 MOS 管 Q52、Q54 ?Q59、Q85 為PMOS管，MOS管Q60?Q66、Q69為NMOS管；M0S管Q60、Q58、Q59的柵極接收主控模塊(10)輸出的控制信號，MOS管Q60、Q59的漏極與MOS管Q61的柵極相連，MOS管Q52、Q62的柵極與信號放大電路(30)的輸出端相連，MOS管Q52、Q59的源極相連并連接VCC，MOS管Q60、Q62的源極相連并連接VSS，MOS管Q58、Q61的源極與MOS管Q52的漏極相連，MOS管Q58、Q61的漏極與MOS管Q62的漏極相連；M0S管Q85、Q54、Q55、Q56、Q57的源極均連接VCC，M0S管Q7的柵極與MOS管Q61的柵極相連，MOS管Q54、Q55、Q56、Q57的柵極以及MOS管Q85的漏極均與MOS管Q52的漏極相連；M0S管Q63、Q64、Q65、Q66、Q69的源極均連接VSS，MOS管Q63的柵極與MOS管Q58的柵極相連，MOS管Q64、Q65、Q66、Q69的源極以及MOS管Q63的漏極均與MOS管Q62的漏極相連；M0S管Q54、Q55、Q56、Q57、Q64、Q65、Q66、Q69的漏極均與上游端換能器(51)相連。
4.如權(quán)利要求2所述的用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:所述的開關(guān)SI與上游端換能器(51)間設(shè)置有第一匹配單元(42)，所述的開關(guān)S2與下游端換能器(52)間設(shè)置有第二匹配單元(43)，第一、二匹配單元(42、43)均由電容、電阻構(gòu)成。
5.一種用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:包括開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)以及第一、二匹配單元(42、43)，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)與信號放大電路(30)相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)分別經(jīng)過第一、二匹配單元(42、43)與上游端換能器(51)、下游端換能器(52)相連，開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)接收主控模塊(10)輸出的控制信號來控制信號放大電路(30)與上游端換能器(51)的通斷或與下游端換能器(52)的通斷。
6.如權(quán)利要求5所述的用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:所述的第一匹配單元(42)由電容C27、電阻R45構(gòu)成；電容C27的一端與開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)相連，另一端通過電阻R45接地，其另一端還作為該電路(40)的輸出端與上游換能器(51)相連。
7.如權(quán)利要求5所述的用于流量檢測系統(tǒng)的信號通道控制電路，其特征在于:所述的第二匹配單元(43)由電容C28、電阻R46構(gòu)成；電容C28的一端與開關(guān)轉(zhuǎn)換單元(41)相連，另一端通過電阻R46接地，其另一端還作為該電路(40)的輸出端與下游端換能器(52)相連。
【文檔編號】G01F1/66GK204165595SQ201420630030
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】姜躍煒 申請人:姜躍煒