高精度低功耗超聲流量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高精度低功耗超聲流量計(jì)，適用于要求精確監(jiān)測管道液體流量的場合。
【背景技術(shù)】
[0002]采用時(shí)差法的超聲流量計(jì)，其基本原理是:2個(gè)超聲波探頭安裝在管道軸線兩側(cè)的外管壁上，并相隔一定的距離。首先上游探頭發(fā)射超聲波，下游探頭接收超聲波，并記錄超聲波從上游傳播到下游的時(shí)間tl ;然后下游探頭發(fā)射超聲波，上游探頭接收超聲波，并再次記錄超聲波從下游傳播到上游的時(shí)間t2。因?yàn)樯嫌伟l(fā)射的超聲波是順流傳播，而下游發(fā)射的超聲波是逆流傳播，所以t2 > tl,存在時(shí)差t=t2-tl。時(shí)差t的大小與管道中液體的流速成正比，在管徑一定的情況下，測出時(shí)差t就可以計(jì)算出管道中的液體流速和流量。
[0003]時(shí)差法超聲流量計(jì)的精度主要取決于超聲波傳播時(shí)間的測量精度。由于超聲波在水中的傳播速度約為1500米左右，而管道中液體的最大流速一般在10米左右，所以時(shí)差t非常小，管道越細(xì)，液體流速越慢，時(shí)差越小。例如:設(shè)聲速為1500m/s，超聲探頭為45°角，當(dāng)管徑為300mm，管中液體流速為10米時(shí)，根據(jù)公知公式可計(jì)算出時(shí)差t約為1.931微妙；在其它條件不變的情況下，當(dāng)管中液體流速為0.01米時(shí)，可計(jì)算出時(shí)差約為18.856納秒，當(dāng)管徑為10mm時(shí)，可計(jì)算出時(shí)差約為6.285納秒。如此小的時(shí)間差，對于目前普遍采用計(jì)數(shù)器或單片機(jī)計(jì)時(shí)的測量方法，工作頻率要達(dá)到IGHz以上，不僅成本高，而且在工程應(yīng)用中很難做到，所以目前的超聲流量計(jì)的測量精度很難提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有時(shí)差法超聲波管道流量計(jì)時(shí)間測量精度不高的問題，本發(fā)明采用高分辨率時(shí)間測量芯片，再配以特別設(shè)計(jì)的控制電路，確保每次測量上下游的回波信號幅度保持一致，使得測量精度大為提高，功耗大為減小。本發(fā)明在設(shè)計(jì)中還采用了低功耗的單片機(jī)，使得整機(jī)功耗小于I瓦，特別適合于使用電池的場合。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:高精度低功耗超聲流量計(jì)，主要由單片機(jī)、時(shí)間測量芯片、雙驅(qū)動電路、上游發(fā)射電路、下游發(fā)射電路、上游超聲探頭、下游超聲探頭、上游接收電路、下游接收電路、信號調(diào)理電路、時(shí)鐘芯片、鍵盤、液晶屏、RS485通信模塊組成。單片機(jī)內(nèi)部至少含有I個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器、I個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器、I個(gè)SPI串行口、I個(gè)I2C串行口和I個(gè)UART串行口。單片機(jī)I2C接口與時(shí)鐘芯片相應(yīng)接口相連；單片機(jī)相應(yīng)接口與鍵盤相連；單片機(jī)相應(yīng)接口與液晶屏相應(yīng)接口相連；單片機(jī)UART接口與RS485通信模塊相應(yīng)接口相連；單片機(jī)SPI接口及中斷輸入端與時(shí)間測量芯片SPI接口及中斷輸出端相連；時(shí)間測量芯片發(fā)射脈沖接口與雙驅(qū)動電路輸入端相連；雙驅(qū)動電路輸出端與上游和下游發(fā)射電路輸入端相連；上游發(fā)射電路輸出端與上游超聲探頭及上游接收電路輸入端相連；下游發(fā)射電路輸出端與下游超聲探頭及下游接收電路輸入端相連；上游和下游接收電路輸出端與信號調(diào)理電路的模擬開關(guān)相應(yīng)輸入端相連；模擬開關(guān)受控端與單片機(jī)相應(yīng)I/O端口相連；模擬開關(guān)相應(yīng)輸出端與信號調(diào)理電路的放大濾波I的差動輸入端及時(shí)間測量芯片相應(yīng)輸入端相連；信號調(diào)理電路峰值檢波器輸出端與單片機(jī)A/D輸入端相連。信號調(diào)理電路壓控放大器受控端與單片機(jī)的D/A輸出端相連。模擬開關(guān)相應(yīng)輸出端分別與時(shí)間測量芯片的上游和下游超聲回波接收器輸入端相連。
[0006]本發(fā)明由于采用了專門的高精度時(shí)間測量芯片，測量分辨率可達(dá)22帕秒，解決了時(shí)間測量的分辨率問題。為了確保上下游時(shí)間測量的一致性，需要保證上下游回波信號幅度一致，使得時(shí)間測量芯片對上下游時(shí)間測量的采樣基準(zhǔn)點(diǎn)相同。為此，在電路設(shè)計(jì)上采用了以下方法:
[0007]1、上下游傳感器共用一個(gè)信號調(diào)理電路，通過模擬開關(guān)進(jìn)行切換；
[0008]2、采用可編程放大器，使回波信號幅值在較大范圍內(nèi)可調(diào)，保證回波峰值始終相同；
[0009]3、為了進(jìn)一步保證時(shí)間測量芯片對上下游時(shí)間測量的采樣基準(zhǔn)點(diǎn)相同，在信號調(diào)理電路中加入了峰值檢波器，將每次回波信號進(jìn)行峰值檢波，并輸入單片機(jī)A/D接口，單片機(jī)根據(jù)每次采樣值通過D/A不斷調(diào)整程控放大器的增益，確保上下游測量回波峰值始終相同。
[0010]4、峰值檢波器是通過保持電容來保持回波峰值，以便單片機(jī)的A/D進(jìn)行采樣，當(dāng)每次采樣結(jié)束后，為了不影響下一次測量，單片機(jī)通過控制一個(gè)電子開關(guān)對保持電容進(jìn)行放電。
[0011]5、時(shí)間測量芯片的功耗非常低，最低可達(dá)平均2.2微安，再加上采用低功耗的單片機(jī)和放大器，保證了測量儀器功耗非常低。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:由于采用了專門的高精度極低功耗的時(shí)間測量芯片，測量精度可達(dá)22帕秒，解決了時(shí)間測量的分辨率問題。同時(shí)在電路設(shè)計(jì)上，采用了程控放大器、峰值檢波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，再配以單片機(jī)軟件程序控制，保證了上下游回波信號峰值的一致性，使得上下游時(shí)間測量的采樣基準(zhǔn)點(diǎn)相同，所以大大提高了本發(fā)明的時(shí)間測量精度，同時(shí)采用低功耗的單片機(jī)和放大器，使測量儀器的功耗非常低。
【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0014]圖1是本發(fā)明的電路原理圖
[0015]圖2是本發(fā)明的信號調(diào)理電路原理圖
[0016]圖3是本發(fā)明的峰值檢波器電路原理圖
【具體實(shí)施方式】
[0017]圖中的箭頭表示信號的流向。高精度低功耗超聲流量計(jì)，主要由單片機(jī)、時(shí)間測量芯片、雙驅(qū)動電路、上游發(fā)射電路、下游發(fā)射電路、上游超聲探頭、下游超聲探頭、上游接收電路、下游接收電路、信號調(diào)理電路、時(shí)鐘芯片、鍵盤、液晶屏、RS485通信模塊組成。單片機(jī)內(nèi)部至少含有I個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器、I個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器、I個(gè)SPI串行口、I個(gè)I2C串行口和I個(gè)UART串行口。單片機(jī)I2C接口與時(shí)鐘芯片相應(yīng)接口相連；單片機(jī)相應(yīng)接口與鍵盤相連；單片機(jī)相應(yīng)接口與液晶屏相應(yīng)接口相連；單片機(jī)UART接口與RS485通信模塊相應(yīng)接口相連；單片機(jī)SPI接口及中斷輸入端與時(shí)間測量芯片SPI接口及中斷輸出端相連；時(shí)間測量芯片發(fā)射脈沖接口與雙驅(qū)動電路輸入端相連；雙驅(qū)動電路輸出端與上游和下游發(fā)射電路輸入端相連；上游發(fā)射電路輸出端與上游超聲探頭及上游接收電路輸入端相連；下游發(fā)射電路輸出端與下游超聲探頭及下游接收電路輸入端相連；上游和下游接收電路輸出端與信號調(diào)理電路的模擬開關(guān)相應(yīng)輸入端相連；模擬開關(guān)受控端與單片機(jī)相應(yīng)I/o端口相連；模擬開關(guān)相應(yīng)輸出端與信號調(diào)理電路的放大濾波I的差動輸入端及時(shí)間測量芯片相應(yīng)輸入端相連；信號調(diào)理電路峰值檢波器輸出端與單片機(jī)A/D輸入端相連。信號調(diào)理電路壓控放大器受控端與單片機(jī)的D/A輸出端相連；模擬開關(guān)相應(yīng)輸出端分別與時(shí)間測量芯片的上游和下游超聲回波接收器輸入端相連。
[0018]在實(shí)施例中，單片機(jī)采用低功耗的C8051F121 ;時(shí)間測量芯片采用TDS-GP22，TDS-GP22內(nèi)部具有上下游超聲脈沖發(fā)生器和上下游超聲回波接收器；模擬開關(guān)采用⑶4053，⑶4053具有3組獨(dú)立的1X2模擬開關(guān)。放大濾波1、放大濾波2、信號緩沖器及同相跟隨器均采用低噪聲、高輸入阻抗及高電壓跟隨率的LF353 ;程控放大器采用低噪聲高動態(tài)范圍的壓控放大器AD603 ;檢波二極管采用肖特基管IN4148 ;電容采用溫度穩(wěn)定性好的COG型，電子開關(guān)采用NLAST4599。
[0019]模擬開關(guān)輸入端A1、B1與上游接收電路輸出端相連，輸入端A2、B2與下游接收電路輸出端相連。模擬開關(guān)輸出端A3、B3與放大濾波I的差動輸入端相連。模擬開關(guān)輸入端Cl與信號緩沖器輸出端相連，輸出端C2、C3分別與TDS-GP22的上、下游超聲回波接收器輸入端相連。
[0020]本實(shí)施例的硬件及軟件工作原理和步驟如下:
[0021]1、用戶通過鍵盤和液晶屏輸入必要的配置參數(shù)，然后按確定鍵，系統(tǒng)進(jìn)入測量狀態(tài)。
[0022]2、C8051F121通過SPI總線向TDS-GP22發(fā)送開始測量指令，同時(shí)控制⑶4053的3組開關(guān)接通下游超聲探頭通道，以便接收上游超聲探頭發(fā)射的超聲波。
[0023]3、TDS_GP22收到測量指令后啟