[发明专利]高精度低功耗超声流量计

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度低功耗超声流量计，适用于要求精确监测管道液体流量的场合。

背景技术

采用时差法的超声流量计，其基本原理是：2个超声波探头安装在管道轴线两侧的外管壁上，并相隔一定的距离。首先上游探头发射超声波，下游探头接收超声波，并记录超声波从上游传播到下游的时间t1；然后下游探头发射超声波，上游探头接收超声波，并再次记录超声波从下游传播到上游的时间t2。因为上游发射的超声波是顺流传播，而下游发射的超声波是逆流传播，所以t2＞t1,存在时差t=t2-t1。时差t的大小与管道中液体的流速成正比，在管径一定的情况下，测出时差t就可以计算出管道中的液体流速和流量。

时差法超声流量计的精度主要取决于超声波传播时间的测量精度。由于超声波在水中的传播速度约为1500米左右，而管道中液体的最大流速一般在10米左右，所以时差t非常小，管道越细，液体流速越慢，时差越小。例如：设声速为1500m/s,超声探头为45°角，当管径为300mm,管中液体流速为10米时，根据公知公式可计算出时差t约为1.931微妙；在其它条件不变的情况下，当管中液体流速为0.01米时，可计算出时差约为18.856纳秒，当管径为100mm时，可计算出时差约为6.285纳秒。如此小的时间差，对于目前普遍采用计数器或单片机计时的测量方法，工作频率要达到1GHz以上，不仅成本高，而且在工程应用中很难做到，所以目前的超声流量计的测量精度很难提高。

发明内容

为了克服现有时差法超声波管道流量计时间测量精度不高的问题，本发明采用高分辨率时间测量芯片，再配以特别设计的控制电路，确保每次测量上下游的回波信号幅度保持一致，使得测量精度大为提高，功耗大为减小。本发明在设计中还采用了低功耗的单片机，使得整机功耗小于1瓦，特别适合于使用电池的场合。

本发明所采用的技术方案是：高精度低功耗超声流量计，主要由单片机、时间测量芯片、双驱动电路、上游发射电路、下游发射电路、上游超声探头、下游超声探头、上游接收电路、下游接收电路、信号调理电路、时钟芯片、键盘、液晶屏、RS485通信模块组成。单片机内部至少含有1个12位A/D转换器、1个12位D/A转换器、1个SPI串行口、1个I2C串行口和1个UART串行口。单片机I2C接口与时钟芯片相应接口相连；单片机相应接口与键盘相连；单片机相应接口与液晶屏相应接口相连；单片机UART接口与RS485通信模块相应接口相连；单片机SPI接口及中断输入端与时间测量芯片SPI接口及中断输出端相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入端相连；双驱动电路输出端与上游和下游发射电路输入端相连；上游发射电路输出端与上游超声探头及上游接收电路输入端相连；下游发射电路输出端与下游超声探头及下游接收电路输入端相连；上游和下游接收电路输出端与信号调理电路的模拟开关相应输入端相连；模拟开关受控端与单片机相应I/O端口相连；模拟开关相应输出端与信号调理电路的放大滤波1的差动输入端及时间测量芯片相应输入端相连；信号调理电路峰值检波器输出端与单片机A/D输入端相连。信号调理电路压控放大器受控端与单片机的D/A输出端相连。模拟开关相应输出端分别与时间测量芯片的上游和下游超声回波接收器输入端相连。

本发明由于采用了专门的高精度时间测量芯片，测量分辨率可达22帕秒，解决了时间测量的分辨率问题。为了确保上下游时间测量的一致性，需要保证上下游回波信号幅度一致，使得时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同。为此，在电路设计上采用了以下方法：

1、上下游传感器共用一个信号调理电路，通过模拟开关进行切换；

2、采用可编程放大器，使回波信号幅值在较大范围内可调，保证回波峰值始终相同；

3、为了进一步保证时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同，在信号调理电路中加入了峰值检波器，将每次回波信号进行峰值检波，并输入单片机A/D接口，单片机根据每次采样值通过D/A不断调整程控放大器的增益，确保上下游测量回波峰值始终相同。

4、峰值检波器是通过保持电容来保持回波峰值，以便单片机的A/D进行采样，当每次采样结束后，为了不影响下一次测量，单片机通过控制一个电子开关对保持电容进行放电。

5、时间测量芯片的功耗非常低，最低可达平均2.2微安，再加上采用低功耗的单片机和放大器，保证了测量仪器功耗非常低。