本发明公开了一种高精度时差式单脉冲超声波流量计系统及其测量方法,所述方法包括:发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;选定超声波换能器;产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;将超声波信号发送到超声波信号处理单元;将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间,并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和管道直径计算得到管道流体单位时间流量大小。
1.高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,所述系统包括:MCU控制单元、单脉冲信号发射驱动单元、收发切换单元、超声波换能器组、超声波信号处理单元及鉴相积分单元,所述MCU控制单元,用于发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;收发切换单元,选定超声波换能器,即选定逆程测量或顺程测量;单脉冲信号发射驱动单元,用于产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;超声波换能器,包括发射换能器和接收换能器,用于超声波信号的发射和接收,并将超声波信号传送至超声波信号处理单元;超声波信号处理单元,用于将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;鉴相积分单元,用于将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间,并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和管道直径计算得到管道流体单位时间流量大小。
2.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,超声波信号经过发射换能器时得到超声波顺程传播时间;超声波信号经过接收换能器时得到超声波逆程传播时间。
3.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,所述单脉冲信号发射驱动单元包括数字延时电路、LC滤波电路和磁环变压器,由所述数字延时电路产生单周期脉冲信号;由LC滤波电路将单周期脉冲信号滤波为单周期正弦波;由磁环变压器将低电压正弦波信号升压至适中电压。
4.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,所述超声波信号处理单元包括:带通滤波放大电路和比较整形电路。
5.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,所述鉴相积分单元包括鉴相电路和Δt/Δu积分电路,由所述鉴相电路得到声波顺程传播时间或逆程传播时间与标准延时信号的时差相同宽度的矩形波信号;由所述Δt/Δu积分电路将时差相同宽度的矩形波信号转换为电压信号。
6.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,其特征在于,所述MCU控制单元包括标准时间信号产生单元和A/D转换电路,由所述A/D转换电路将Δt/Δu积分电路输出的电压值转为MCU控制单元运算的数字量,并由MCU控制单元求得模拟积分电压对应的时差大小,根据时差计算得到管道内流体流速,通过截面面积经流量修正系统修正得到超声波体积流量。
7.高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,其特征在于,所述方法包括:发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;选定超声波换能器,即选定逆程测量或顺程测量;产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;将超声波信号发送到超声波信号处理单元;将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间,并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和管道直径计算得到管道流体单位时间流量大小。
8.根据权利要求7所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,其特征在于,所述超声波顺程传播时间是由超声波信号经过发射换能器得到;所述超声波逆程传播时间是由超声波信号经过接收换能器得到。
9.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,其特征在于,由所述数字延时电路产生单周期正弦波信号;由LC滤波电路将单周期脉冲信号滤波为单周期正弦波;由磁环变压器将低电压正弦波信号升压至适中电压。
10.根据权利要求1所述的高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,其特征在于,由鉴相电路得到声波顺程传播时间或逆程传播时间与标准延时信号的时差相同宽度的矩形波信号;由Δt/Δu积分电路将时差相同宽度的矩形波信号转换为电压信号;由A/D转换电路将Δt/Δu积分电路输出的电压值转为MCU控制单元运算的数字量,并由MCU控制单元求得模拟积分电压对应的时差大小,根据时差计算得到管道内流体流速,通过截面面积经流量修正系统修正得到超声波体积流量。技术领域
本发明涉及流量测量设备技术领域,尤其涉及一种高精度时差式单脉冲超声波流量计系统及其测量流量方法。
背景技术
超声波流量计相对于机械式和电磁式流量仪表而言,具有对管径的适应性强、量程比大、无可动部件、非接触测量,零压力损失、易于维护等优点,被视为最有发展前景的流量计量设备,特别是近年来在供暖热计量中得到了广泛的应用。超声波流量测量作为一种体积计量方法主要通过以下五个步骤进行:1)管道内部超声波探头在流体中发射声波,启动计时,在一定时间之后接收超声波信号。2)对接收到的超声波信号进行预处理,判断声波到达时间,结束计时,得到声路上下游声波顺程传播时间。3)重复1)、2)步,但原发射换能器变为接收换能器,接收换能器变为发射换能器,得到声路上下游声波逆程传播时间。4)依据顺程和逆程的传播时间差值、测量时流体的温度,以及在该温度下声波在流体中的传播速度,计算出流体流速。5)由测量管道面积,和测量温度压力下流体的密度值,计算出流体流量。现有技术中存在如下缺点:1)现有的超声波流量计采用多脉冲发射电路或高压窄带脉冲信号发生电路发射超声波。但多脉冲发射电路能量不集中,接收信号首波幅度较小,信噪比差,接收信号处理电路复杂、成本较高;而用高压窄带脉冲信号发射超声波时,换能器不能完全转换脉冲信号能量内部存在高次谐振即不能完全转换并发送出脉冲信号中的所有频率成分,导致换能器内部存在高频谐振,在接收信号时产生干扰,只能单独作为发射或接收用;而采取多声道布置方案进行正、反向时间差测量,使得器件增多,电路复杂,而且由于声道增多需要更多的布置空间,不适合小管径流速测量。2)现有的超声波流量计采用FPGA或CPLD电路搭配晶振来计时,系统复杂且计时分辨率仅为5-10ns;或采用计时芯片TDC-GP2开发计时电路,虽然计时分辨率能达到65ps,但价格昂贵,占流量计成本比重大,不利于成本控制。另外,采用专用计时芯片进行时差时,流量计电路中的微处理控制芯片A/D功能闲置,芯片利用率较低。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷,本发明提供了一种高精度时差式单脉冲超声波流量计及其测量流量方法。该方法采用单周期正弦波超声换能器驱动电路,并且利用微处理芯片内部A/D转换模块开发时间测量电路,实现高精度计时功能,不仅测量精度高、结构简单易于实现,而且期间利用率高,成本相对较低易于控制。所述技术方案如下:高精度时差式单脉冲超声波流量计系统,所述流量计包括:MCU控制单元、单脉冲信号发射驱动单元、收发切换单元、超声波换能器组、超声波信号处理单元及鉴相积分单元,所述MCU控制单元,用于发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;收发切换单元,选定超声波换能器,即选定逆程测量或顺程测量;单脉冲信号发射驱动单元,用于产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;超声波换能器,包括发射换能器和接收换能器,用于超声波信号的发射和接收,并将超声波信号传送至超声波信号处理单元;超声波信号处理单元,用于将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;鉴相积分单元,用于将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间。高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,所述方法包括:发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;选定超声波换能器,即选定逆程测量或顺程测量;产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;将超声波信号发送到超声波信号处理单元;将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间,并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和和管道直径计算得到管道流体单位时间流量大小。本发明提供的技术方案的有益效果是:利用数字延时电路、LC谐振电路和磁环变压器设计的低压源单周期正弦波驱动电路,发射能量大,发射频率与换能器谐振频率一致,不存在高频谐波残留,并且电路简单、容易实现。本发明利用积分电路和微处理控制芯片A/D功能开发的计时电路,3-100ns的微小时段测量中时间分辨率达到了45ps,在100ns-2us时段测量中分辨率达到了100ps,计时精确、性能稳定,系统更加简单经济。此外如果提高标准延时信号的控制精度或者采用A/D精度更高的控制芯片,将能达到更高的分辨率。
附图说明
图1是基于本发明的超声波流量计系统原理图;图2是基于本发明的超声波流量计结构示意图;图3是基于本发明的超声波流量计系统测量方法流程图;图4是本发明提供的低压源单周期正弦波发射驱动电路;图5是本发明提供的鉴相积分电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述:参见图1,基于本发明的超声波流量计系统原理图,所述系统包括:MCU控制单元1、单脉冲信号发射驱动单元2、收发切换单元3、超声波换能器组4、超声波信号处理单元5及鉴相积分单元6,所述MCU控制单元,用于发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;收发切换单元,将接收到的控制信号发送到超声换能器,并对超声换能器进行选定;单脉冲信号发射驱动单元,用于产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;超声波换能器,包括发射换能器和接收换能器,用于超声波信号的发射和接收,并将超声波信号传送至超声波信号处理单元;超声波信号处理单元,用于将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;鉴相积分单元,用于将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间。上述单脉冲信号发射驱动单元包括数字延时电路、LC滤波电路和磁环变压器,由所述数字延时电路产生单周期脉冲信号;由LC滤波电路将单周期脉冲信号滤波为单周期正弦波;由磁环变压器将低电压正弦波信号升压至适中电压。上述鉴相积分单元包括鉴相电路和Δt/Δu积分电路,由所述鉴相电路得到声波顺程传播时间或逆程传播时间与标准延时信号的时差相同宽度的矩形波信号;由所述Δt/Δu积分电路将时差相同宽度的矩形波信号转换为电压信号。上述MCU控制单元包括标准时间信号产生单元7和A/D转换电路8,由所述A/D转换电路将Δt/Δu积分电路输出的电压值转为MCU控制单元运算的数字量,并由MCU控制单元求得模拟积分电压对应的时差大小,根据时差计算得到管道内流体流速,通过截面面积经流量修正系统修正得到超声波体积流量。参见图2基于本发明的超声波流量计结构示意图,MCU控制单元、单脉冲信号发射驱动单元、收发切换单元、超声波换能器、滤波放大电路、放大电路、整形电路、鉴相电路、积分控制开关、Δt/Δu积分电路、A/D转换电路及标准延时模块。上述收发切换单元包括发送切换开关和接收切换开关;上述鉴相电路用来产生时差,时差时超声波换能器接收信号与标准延时的时间间隔,逆程测得时间间隔减去顺程测得时间间隔,即为流量计中超声波传播时差。本实施例还提供了一种高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法,该方法包括:发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元,及发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差;将接收到的控制信号发送到超声换能器,并对超声换能器进行选定;产生单周期正弦波信号,并将信号发送到超声波换能器;将超声波信号发送到超声波信号处理单元;将超声波信号进行滤波放大,并通过零检测和阈值检测确定到达信号;将到达信号与所述标准延时信号进行比较,得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间,并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和管道直径计算得到管道内流体单位时间流量大小。参见图3,基于本发明的超声波流量计系统测量方法流程,具体包括:1)MCU单元发送控制信号至收发切换单元,选定超声波发射换能器和接收器进行顺程传播时间测量;2)MCU单元发送控制信号至单脉冲信号发射驱动单元,驱动发射超声波换能器发射超声波,同时启动标准延时程序,开始计时;3)将超声波信号经由放大滤波电路、放大电路和整形电路后转换为脉冲信号,送往鉴相积分单元;4)标准延时程序中断,MCU单元产生标准延时信号送至鉴相积分单元,与整形电路输出的脉冲信号进行鉴相,得到超声波相对传播时间,即时间差,通过Δt/Δu积分电路将时间段信号转换为电压量;5)开启MCU单元A/D转换模块,将积分电路输出的电压量转换为数字量,并送往存储器存储。设A/D转换模块的最大值为N,对应的最大积分时间为t_max,当Δt/Δu积分电路输出为Δu_d时,经A/D转换电路转换后得到数值N_d,则超声波接收信号脉冲与标准延时信号的时间间隔(顺程传播时间): t d = N d N × t max ]]> 在采用12位A/D,标准延时信号分辨率为250ns时,测量100ns时间段,精度可达43ps。6)MCU单元发送控制信号至收发切换单元,选定原接收换能器为发射换能器,准备逆程测量。7)重复执行上述2)、3)、4)获得逆程传播时间t_c。8)由顺程传播时间t_d和逆程传播时间t_c,得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差Δt:Δt=|t_d-t_c|参见图4,为本发明提供的低压源单周期正弦波发射驱动电路,该电路包括:D锁存器1、D锁存器2、D锁存器3、电容C和磁环变压器L-TRANS。MCU时钟信号经过D锁存器1分频后,接入D锁存器2和D锁存器3,在D锁存器2和D锁存器3的Q~端输出周期为4倍MCU时钟信号周期的正半周期信号,经过LC串联谐振电路滤除高频分量后,变为单周期正弦信号经磁环变压器L-TRANS升压后作为超声波发射驱动信号接入超声波换能器。参见图5,为本发明提供的鉴相积分电路示意图,该电路包括:由D锁存器4、与门1组成的鉴相殿宇和由电阻R1、电阻R2、开关S1、开关S2、电容C1和运放1组成的积分电路。由MCU单元标准延时模块产生的标准延时信号,作为预置信号加在D锁存器4的CLR端和与门1的输入端,与接入CLK端的超声波接收信号(脉冲)进行鉴相;与门1的输出为标准延时信号与超声波接收信号之间的时差,并将该时差信号作为积分开关S1、S2的控制信号,选择积分电流的大小和方向。积分器的输出与时差大小成线性关系的电压量,接入MCU单元的A/D模块进行量化。以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。