[实用新型]一种高抗干扰高精度气体超声流量计

说明书

本实用新型公开了一种高抗干扰高精度气体超声流量计，包括：FPGA控制器、过零比较器、高速ADC、超声波收发单元以及ARM控制器，所述ARM控制器与所述FPGA控制器连接；所述FPGA控制器与所述超声波收发单元连接，切换超声波换能器的发射和接收通道；所述FPGA控制器与所述高速ADC连接，控制高速ADC的采样和停止，并读取转换数据，转换数据保存在FPGA控制器中；所述FPGA控制器与所属过零比较器输出连接，捕获由过零比较器输出的脉冲信号的下沿的到达时间，并保存到FPGA控制器中。本实用新型通过超声波信号编码识别特征波，且用过零比较的方法测量超声波回波信号的到达时间。

技术领域

本实用新型涉及一种利用时差法的气体超声流量计及其回波信号测时方法，特别是用编码信息来锁定超声波回波信号的特征波，并将回波信号通过过零比较器后，用专用定时器来测量回波信号的到达时间。

背景技术

由于气体超声流量计测量精度高、量程比大、无压损等优点，被广泛应用于天然气等气体流量的测量领域。利用超声波测量管道内气体流速的方法有很多种，然而传播时间差法，因不受温度、压力、气体成分等因素影响，故而被广泛采用。在测得顺流和逆流传播的两个超声波信号的传播时间后，通过计算就可以得到我们想要的数据，如气体声速、流速、流量等。传播时间差法的关键就是准确的测量超声波回波信号的到达时间，回波信号到达时间需要根据回波信号上某一稳定的波来确定。设计人员都把重点放在了如何确定超声波回波信号的特征波，以此作为测量超声波回波信号到达的参考。

有一种方法，设计人员把接收到的超声波回波信号经过滤波、放大等一系列的处理，监测回波信号，当回波信号幅度大于固定电平阀值时，或监测到最大峰值时，就会使能过零比较器输出；这里，符合幅度大于固定电平阀值的那个波和最大峰值所对应的那个波，就是特征波。超声波回波信号通过过零比较器后，输出为方波信号，用专门的测时芯片就可以精准的测得超声波回波信号的到达时间。然而，由于超声波信号在气体中传播时，随着气体流速的增加，其能量衰减也越来越大，使回波信号幅值微弱，易受噪声干扰，且由于气体湍流、杂质、管道震动及阀门开关、调压等各种因素影响，接收到的超声波回波信号发生了无规律的变化，这使得用固定阀值法、最大峰值法等测量方法确定超声波回波信号的到达时间，都会产生较大的波动，影响测量精度。另一种方法，单片机通过高速AD转换芯片对超声波回波信号采样，并将采样值保存在单片机内存的AD采样数组中，单片机对采样值数字滤波，消除干扰信号，在AD 采样数组中找出最大采样值，这个采样值对应的是回波信号的最大峰值，作为特征波，或根据阀值电平对应的AD值，找出两个波峰所对应的AD采样值，使得前一个AD采样值小于阀值电平对应的AD值，后一个AD采样值大于这个阀值电平对应AD值，后一个波作为特征波；单片机以特征波的AD采样值在AD采样数组中的下标为起始点，在AD采样数组中找到过零点前后相邻的两个AD采样值，根据这两个采样值在AD采样数组中的下标和AD采样频率，就可以计算出这两个点的时间，利用线性插值的方法计算出过零点的时间，这个时间就是超声波回波信号的到达时间，然后减去一个固定的延时就得到了超声波的传播时间。这种测时方法提高了抗干扰能力，特别是带有编码信息的超声波回波信号的测时。但在时间测量精度上要严重依赖高速模拟转换芯片的采样速率，时间测量精度不如用过零比较的测时方法，特别是在气体流速很小的情况下，这种差异更为明显。

实用新型内容

为了能够提高超声波流量计超声波传播时间测量的可靠性且保证很高的测量精度，本实用新型提供了一种有效的方法，通过超声波信号编码识别特征波，且用过零比较的方法测量超声波回波信号的到达时间。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种高抗干扰高精度气体超声流量计，包括：FPGA控制器、过零比较器、高速ADC、超声波收发单元以及ARM控制器，所述ARM控制器与所述FPGA控制器连接；

所述FPGA控制器与所述超声波收发单元连接，切换超声波换能器的发射和接收通道；