[发明专利]基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计及其信号增强方法

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，涉及到水流量测量方法，特别涉及到水流量测量中用于DN80～DN200中型管径的超声波流量计发送和接收信号的增强方法。 

背景技术

超声波流量计具有测量精度高、使用方便的优点，目前在水流量测量方面已经得到广泛应用。其利用声波在顺流和逆流传播中的时间差，计算得到水的瞬时流速，再依据管道的截面积，获得水流动时的瞬时流量，再通过对时间的积分，得到水流动时累计流量。可以看出，超声波流量计工作时，需通过上游探头发送信号、下游探头接收信号，获得顺流传播时间，然后再通过下游探头发送信号、上游探头接收信号，获得逆流传播时间，不断循环往复。由于声波在水中传输速度极快，因此在管道中的传输时间很短，上游传输到下游和下游传输到上游的时间差通常在几十纳秒到几百纳秒之间，这要求对声波在管道中的传输时间进行非常精确的测量，目前德国ACAM公司推出的时间数字转换芯片TDC-GP22是专门用于超声波流量计中时间的测量，时间分辨率可达65皮秒，为保证时间差测量精度，本发明所设计的超声波流量计基于TDC-GP22芯片，其信号接口电路常规设计如图1所示。TDC-GP22对时间进行精确测量的前提是，在接收端能够获得足够幅值的波形，而TDC-GP22仅支持3.3V供电，因此芯片管脚上发送信号的幅值最大为3.3V，且无论是上游发送信号，还是下游发送信号时，均在发送信号线上串联有100欧姆电阻，这限制了施加到发送探头上信号的幅值和驱动能力，而声波在水中传播时衰减较大，对于小型管径的管道，由于传输距离极短，因此衰减相对较小，接收探头可以获得较为明显的接收信号，但对于DN80～DN200中型管径的管道，声波传输距离相对较长，信号衰减也相对较大，若考虑流量计长期运行，在探头上积淀的水垢的影响，那么信号衰减将更大，这导致无法对声波在管道中传输的时间进行测量，更无法实现对上游传输到下游和下游传输到上游的时间差的测量。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术基于TDC-GP22的DN80～DN200中 型管径超声波流量计接收信号较弱、无法实现时间差精确测量的问题；其目的旨在有效增强基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计接收探头上获得的信号，为TDC-GP22对声波传输时间的精确测量提供保证。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计的信号增强方法，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端。所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自发送端的三态门直接施加到探头。工作时，所述上游探头和下游探头处于发送端状态或接收端状态，且为相反状态，此时通过两个所述三态门的使能端控制，使得发送端对应的三态门导通，接收端对应的三态门截止，实现TDC-GP22对声波在管道中传输时间的测量。 

优选方式下，为了实现简单控制，简化电路设置，设置一个通过SPI接口与TDC-GP22进行通信实现时钟信号、片选信号、数字量输入信号、数字量输出信号传输的CPU，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的数据、数据的读取。所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号，从而达到上述控制目的。 

根据上述方法可知，本发明还提供了一种基于TDC-GP22的中型管径超声波流量计，包括TDC-GP22芯片，以及分别位于中型管水流上游和下游的探头，所述上游探头和下游探头的接收信号分别经过各自的电容传送到TDC-GP22各自的接收端。所述TDC-GP22针对所述上游探头和下游探头的输出发送信号分别通过各自发送端的三态门直接施加到探头。此外，设置一个通过SPI接口与TDC-GP22进行通信实现时钟信号、片选信号、数字量输入信号、数字量输出信号传输的CPU，以控制TDC-GP22信号的发送、参数的数据、数据的读取；所述CPU的两个引脚还分别向两个所述三态门使能端输出使能信号。