低功耗的中低壓氣體超聲波流量測量電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體流量檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低功耗的中低壓氣體超聲波流量測 量電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 自上世紀(jì)九十年代，超聲波技術(shù)應(yīng)用于氣體流量的檢測領(lǐng)域以來，經(jīng)過二十多年 的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)與傳感器技術(shù)在實際應(yīng)用中均有長足進(jìn)步，目前，超聲波技術(shù)已 廣泛應(yīng)用于液體和高壓氣體流量的測量。但超聲波信號在中低壓氣體流量的測量中存在衰 減快、信號微弱等問題，需要較大放大倍數(shù)、通常需要較大的驅(qū)動電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低功耗的中低壓氣體超聲波流量測量電 路。
[0004] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：
[0005]本發(fā)明包括第一超聲換能器、第二超聲換能器、第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、前 置放大器、帶通濾波單元、比較單元、驅(qū)動單元、穩(wěn)壓單元、超聲波信號收發(fā)計時單元、單片 機(jī)單元。
[0006] 第一超聲換能器、第二超聲換能器對稱安裝于管道軸線的兩側(cè)；第一換能器的輸 入端與第一模擬開關(guān)電路的一端連接；第二換能器的輸入端與第二模擬開關(guān)電路的一端連 接；第一模擬開關(guān)的另一端與驅(qū)動單元的輸出端連接；第二模擬開關(guān)的另一端與前置放大 器的輸入端連接；前置放大器的輸出端與帶通濾波單元的輸入端連接；帶通濾波單元的輸 出端與比較單元的輸入端連接；比較單元的輸出端與超聲波收發(fā)計時單元連接；驅(qū)動單元 的輸入端與超聲波收發(fā)計時單元連接；超聲波收發(fā)計時電路與單片機(jī)連接。
[0007] 所述模擬開關(guān)選型芯片MAX4622 ;所述前置放大單元選型芯片AD620、所述帶 通濾波單元選型芯片0PA836、所述比較單元選型芯片LMV761 ;所述穩(wěn)壓單元選型芯片 TPS76930、所述驅(qū)動單元選型芯片LT3572;所述的超聲波信號收發(fā)計時單元選型芯片 TDC-GP21;所述單片機(jī)選型芯片MSP430F448。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過測量超聲波在氣體中的順逆流傳播時間差， 計算出流經(jīng)管道的氣體流量，進(jìn)而得到氣體流速，TDC-GP21芯片的采用提高了氣體流量測 量的精度，節(jié)省了裝置成本。系統(tǒng)采用小信號激勵超聲換能器，通過微弱信號比較電路準(zhǔn)確 獲得超聲波在氣體中的順逆流傳播時間差，降低了系統(tǒng)測量的電壓與電流，從而降低功耗， 采用電池供電，一節(jié)電池的使用壽命在3-5年。適用于中低壓情況下的任意氣體的流量測 量，測量過程中沒有壓損的存在，流量計使用壽命長。
【附圖說明】
[0009] 圖1是超聲換能器的安裝示意圖；
[0010] 圖2是控制系統(tǒng)原理框圖；
[0011] 圖3是以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)具體電路實例圖。
【具體實施方式】
[0012] 以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，本發(fā)明提出了一種針對中低壓氣體流量測量的 低功耗信號處理測量電路。
[0013] 其中的氣體超聲流量計在原理上采用時差法測量，這也是目前應(yīng)用較為廣泛的時 差式氣體超聲流量計。這種流量計的工作原理為：超聲波在靜止的流體中的流速為C，流體 的流速為V。，超聲波在流體中的順流時間為h，超聲波在流體中的逆流時間為t2，兩個超聲 波換能器間的直線距離為L，與管道夾角為Θ，那么超聲波在流體中的順流時間為
[0014]
(1)
[0015] 超聲波在流體中的逆流時間為
[0016]
(2)
[0017] 將公式⑴和公式⑵相減，得到
[0018]
(3)
[0019] 將公式⑴和公式⑵相加，可以得到C
[0020]
C4)
[0021] 將⑷式帶入到⑶式中，得到
[0022]
(J)
[0023] 本發(fā)明的氣體超聲測量方法具體是：測量超聲波在氣流中的順流傳播時間h和逆 流傳播時間t2，按式（5)計算出流經(jīng)管道的氣體流速。式中L為兩個換能器之間的距離，Θ 為換能器之間的連線與管道中軸線所形成的夾角，tpt2為超聲波在兩個換能器之間的傳播 時間。
[0024] 參照圖1，將一對超聲換能器對稱安裝于管道軸線平面的兩側(cè)，安裝時應(yīng)注意盡量 使兩個換能器的軸心在同一條直線上，第一換能器安裝在管道上游，第二換能器安裝在管 道下游。
[0025] 參照圖2,該中低壓氣體流量低功耗超聲波測量裝置包括第一超聲換能器、第二超 聲換能器、第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、前置放大器、帶通濾波單元、比較單元、驅(qū)動單元、 穩(wěn)壓單元、超聲波信號收發(fā)計時單元、單片機(jī)單元。
[0026] 所述第一換能器輸入端與第一模擬開關(guān)的第一端連接，所述第二換能器輸入端與 第二模擬開關(guān)的第一端連接；所述第一模擬開關(guān)的另一端與驅(qū)動單元的輸出腳連接，所述 第二模擬開關(guān)的另一端與前置放大單元的輸入端連接；所述驅(qū)動單元的輸入端與超聲波收 發(fā)計時電路的START腳、FIRE腳連接；所述前置放大器的輸出端與帶通濾波單元的輸入端 連接；所述帶通濾波單元的輸出端與比較單元的輸入端連接；所述比較單元的輸出端與超 聲波收發(fā)計時單元的一端連接；所述超聲波發(fā)送計時電路的選通腳、時鐘腳、數(shù)據(jù)輸入腳、 數(shù)據(jù)輸出腳和32K時鐘輸入腳分別與單片機(jī)的I/O口連接；所述第一模擬開關(guān)電路使能端、 弟^吳擬開關(guān)電路使能端分別與單片機(jī)的I/O口連接；
[0027] 圖3為中低壓氣體流量低功耗超聲波測量裝置的一種具體電路實例，模擬開關(guān)芯 片選型MAX4622 ;驅(qū)動單元芯片選型LT3572 ;前置放大器芯片選型AD620 ;帶通濾波單元芯 片選型0PA836 ;比較單元芯片選型LMV761 ;超聲波收發(fā)計時單元芯片選型TDC-GP21 ;單片 機(jī)單元芯片選型MSP430F448。
[0028] 所述第一換能器的正端、負(fù)端分別與第一模擬開關(guān)的一端、第二模擬開關(guān)的一端 連接；所述第二換能器的正端、負(fù)端分別與第二模擬開關(guān)的另一端、第一模擬開關(guān)的另一端 連接；所述第一模擬開關(guān)使能端、第二模擬開關(guān)使能端分別與單片機(jī)的P3. 5腳、P3. 6腳連 接；所述驅(qū)動單元的輸出端18腳、輸出端19腳與第一模擬開關(guān)的一端連接；所述第二模擬 開關(guān)與前置放大器的+IN腳、-IN腳連接；所述前置放大器的A0腳、A1腳、A2腳與單片機(jī) 的P4. 2腳、P4. 3腳、P4. 4腳連接；所述前置放大器OUT端與帶通濾波單元-IN端連接；所 述帶通濾波單元OUT腳與比較單元-IN腳連接；所述比較單元OUT端與TDC-GP21的STOP 腳連接；所述驅(qū)動單元PWM腳與TDC-GP21的START腳、FIRE腳連接；所述芯片GP21的XIN 腳和X0UT腳與電阻R的兩端連接，R的兩端與4M陶瓷晶振的兩端連接，晶振的兩端分別接 電容C3和C4,C3和C4的公共端接地，此為GP21的起振電路；所述芯片TDC-GP21的RSTN 引腳、S0引腳、SI引腳、SCK引腳、SSN引腳、INTN引腳分別與單片機(jī)MSP430F448的P2. 1、 Ρ2· 0、Ρ1· 7、Ρ1· 6、Ρ1· 5、Ρ1· 4 引腳連接。
[0029] 系統(tǒng)上電后，MSP430單片機(jī)完成自身和TDC-GP21芯片的初始化設(shè)置，進(jìn)而系統(tǒng)開 始進(jìn)行氣體流量的測量。
[0030] 單片機(jī)控制計時芯片TDC-GP21的脈沖發(fā)生器FIRE端口產(chǎn)生激勵脈沖，經(jīng)過驅(qū)動 單元LT3572,激勵第一超聲換能器產(chǎn)生超聲波，此時第一超聲換能器作為發(fā)射換能器，第二 超聲換能器作為接收換能器，與此同時TDC-GP21的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個START信號開啟芯 片內(nèi)部的計時模塊，計時開始。第一超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波信號穿過管道中的氣體以 一定的時長傳播到對面，第二超聲換能器接收到超聲波信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，通過濾 波電路并經(jīng)由過零檢測來確定信號到達(dá)的時刻，同時產(chǎn)生STOP信號停止TDC-GP21芯片的 計時工作，單片機(jī)從計時芯片TDC-GP21的寄存器讀出該超聲波信號傳播時間^的測量數(shù) 據(jù)，第一換能器的計時結(jié)束；同樣，單片機(jī)控制TDC-GP21脈沖發(fā)生器的FIRE端口產(chǎn)生脈沖 激勵，激勵第二超聲換能器發(fā)出超聲波信號，切換兩個超聲換能器的收發(fā)功能，以上述同樣 的處理方式可以得到第二換能器作為發(fā)送信號端的工作時間t2。
[0031] 根據(jù)時差法，單片機(jī)對所得到的兩個時間參數(shù)進(jìn)行處理，通過上述（5)式，即可得 到被測氣體的流速。
[0032] 所述電路為單路驅(qū)動，節(jié)省了系統(tǒng)功耗；采用前置放大單元，可以測得微小信號， 因此適用于中低壓氣體流量的測量。
[0033] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，通過測量超聲波在氣體介質(zhì)中的聲速從而消除了氣體密度對氣 體流量測量的影響，具有廣泛的適用性。同時本發(fā)明降低了系統(tǒng)功耗，使一節(jié)普通3.6V電 池的供電壽命超過3年。
【主權(quán)項】
1.低功耗的中低壓氣體超聲波流量測量電路，其特征在于，包括：第一超聲換能器(1)、第二超聲換能器（2)、第一模擬開關(guān)（3)、第二模擬開關(guān)（4)、前置放大器（5)、帶通濾波 單元（6)、比較單元（7)、驅(qū)動單元（8)、穩(wěn)壓單元（9)、超聲波信號收發(fā)計時單元（10)、單片 機(jī)單元（11); 第一超聲換能器（1)、第二超聲換能器（2)對稱安裝于管道軸線平面的兩側(cè)，第一超聲 換能器（1)與第二超聲換能器（2)的軸心在同一條直線上，第一換能器（1)安裝在管道（12) 上游，第二換能器（2)安裝在管道（12)下游； 第一換能器（1)輸入端與第一模擬開關(guān)（3 )的第一端連接，第二換能器（2 )輸入端與第 二模擬開關(guān)（4)的第一端連接；第一模擬開關(guān)（3)的另一端與驅(qū)動單元（8)的輸出端連接； 第二模擬開關(guān)（4)的另一端與前置放大器（5)的輸入端連接；前置放大器（5)的輸出端與 帶通濾波單元（6)的輸入端連接；帶通濾波單元（6)的輸出端與比較單元（7)的輸入端連 接；比較單元（7)的輸出端與超聲波收發(fā)計時單元（10)的stop腳連接；驅(qū)動單元（8)的輸 入端與超聲波收發(fā)計時單元（10)的start腳、fire腳連接；超聲波發(fā)送計時單元（10)的 選通腳、時鐘腳、數(shù)據(jù)輸入腳、數(shù)據(jù)輸出腳和32K時鐘輸入腳分別與單片機(jī)單元（11)的I/O 口連接；所述的第一模擬開關(guān)（3)使能端、第二模擬開關(guān)（4)使能端分別與單片機(jī)單元（11) 的I/O口連接； 所述第一模擬開關(guān)和第二模擬開關(guān)選型芯片MAX4622;所述前置放大器選型芯片AD620、所述帶通濾波單元選型芯片0PA836、所述比較單元選型芯片LMV761;所述穩(wěn)壓單元 選型TPS76930、所述驅(qū)動單元選型芯片LT3572;所述超聲波信號收發(fā)計時單元選型芯片 TDC-GP21;所述單片機(jī)選型芯片MSP430F448。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低功耗的中低壓氣體超聲波流量測量電路。本發(fā)明包括第一超聲換能器、第二超聲換能器、第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、前置放大器、帶通濾波單元、比較單元、驅(qū)動單元、穩(wěn)壓單元、超聲波信號收發(fā)計時單元、單片機(jī)單元。本發(fā)明通過測量超聲波在氣體中的順逆流傳播時間差，計算出流經(jīng)管道的氣體流量，進(jìn)而得到氣體流速，超聲波信號收發(fā)計時單元的采用提高了氣體流量測量的精度，節(jié)省了裝置成本。
【IPC分類】G01F1/66
【公開號】CN105333911
【申請?zhí)枴緾N201510731968
【發(fā)明人】趙偉國, 韓亙, 張格
【申請人】中國計量學(xué)院
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月1日