專利名稱：用于檢測流量計的仿真電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)流量計，尤其是一種用于檢測流量計的仿真電路。
技術(shù)背景流量計被廣泛地用于檢測各種形狀、大小的管道中液體或氣體的流速。 時差法超聲流量計所依據(jù)的原理是聲波在流動的液體或氣體中，沿逆流和順 流方向所傳播時間不同。由于所測液體或氣體流速的存在，穿越相同的距離， 聲波逆流傳播時間要比順流傳播的時間長，其間的差就反映了所測液體或氣 體的流速。為了確信流量計是否準確，流量計的檢測和標定在工業(yè)應(yīng)用中是非常重 要的。關(guān)于時差法超聲流量計的檢測，由于所測流速與逆流、順流傳播時間 密切相關(guān)，所以檢測流量計對傳播時間的靈敏度是流量計檢測的一個重要指標。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種改進的用于檢測流量計的仿真電路。 本發(fā)明提供一種仿真電路，用于檢測流量計。該仿真電路包括與流量計電連接的接口電路、延時發(fā)生器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及產(chǎn)生時鐘信號 的振蕩器。接口電路接收從流量計發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號，在偵測到脈沖驅(qū)動 信號的上升沿或下降沿的同時產(chǎn)生觸發(fā)信號，同時延時發(fā)生器開始預(yù)定的延 時，在該預(yù)定的延時結(jié)束時，所述振蕩器向DAC發(fā)送時鐘信號，DAC開始 將預(yù)選的數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁坑嬁梢宰R別的^^擬信號波形并傳送回流量 計。


圖1所示為時差法超聲流量計測量一管道內(nèi)液體或氣體流速的原理圖； 圖2所示為本發(fā)明檢測時差法超聲流量計的一個實施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖3所示為圖2中所示的檢測時差法超聲流量計的仿真電路的原理圖；圖4為圖3所示仿真電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖5為圖4所示仿真電路中接口電路的示意圖；圖6為圖4所示仿真電路中延時發(fā)生器的第一個實施例的示意圖；圖7為圖6所示延時發(fā)生器的第一個實施例的電路圖；圖8A和圖8B說明觸發(fā)信號與延時發(fā)生器的時鐘信號之間的不同步問題；圖9所示為用延時發(fā)生器的第一個實施例檢測流量計時，模擬一個延時 周期過程中的幾個信號的波形；圖10所示為一個基于延遲線的振蕩器，其用于仿真電路中延時發(fā)生器的 第二個實施例。
具體實施方式
圖1所示為用時差法超聲流量計1測量管道100內(nèi)流體流速的原理圖。 流量計l包括上、下連接線10、 11，該上、下連接線IO、 ll分別連接設(shè)置于 管道100外側(cè)的逆流和順流換能器12、 13。流量計l間隔經(jīng)由上、下連接線 10、 ll向逆流、順流換能器12、 13發(fā)送脈沖驅(qū)動信號。逆流換能器12接收 到流量計1發(fā)送的脈沖驅(qū)動信號，將其轉(zhuǎn)換為超聲波；超聲波在管道100內(nèi) 沿流體流動的逆流方向傳送到順流換能器13，順流換能器13再把接收到的 超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳送回流量?，其間所經(jīng)歷的時間即為逆流傳播時 間。超聲波沿順流方向傳播的順流傳播時間，是用同樣的方法但相反的路徑 測量的。顯然，逆流傳播時間要長于順流傳播時間，而管道100內(nèi)液體或氣 體的流速就是根據(jù)所述逆流傳播時間和順流傳播時間的差測量出來的。圖2所示為本發(fā)明流量計1測量系統(tǒng)的基本架構(gòu)圖。該測量系統(tǒng)包括一 個與流量計l的上、下連接線IO、 11電連接的仿真電路2、以及一個與仿真 電路2電連接的計算設(shè)備3。仿真電路2接收到流量計1發(fā)出的脈沖驅(qū)動信 號，產(chǎn)生回饋信號發(fā)回給流量計1,從而模擬超聲波在管道100中傳播的情 形。更具體而言，仿真電路2捕獲到流量計1通過上連接線IO發(fā)出的脈沖驅(qū) 動信號，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號并開始一個預(yù)定的逆流延時Tup,在逆流延時Tup 結(jié)束時，將一個預(yù)選的波形經(jīng)由下連接線ll發(fā)送回流量計1,從而模擬一個 逆流傳播時間。用同樣的方法但是相反的傳輸路徑可以模擬一個順流傳播時間。計算設(shè)備可以是一個手提電腦，用以預(yù)設(shè)并傳送逆流、順流延時Tup、 Tdn 到仿真電路2，同時存儲一些供選擇的預(yù)選波形。從而可以在任何一個逆流、 順流延時Tup、 Tdn結(jié)束時選擇一個波形以模擬聲波在管道100中的逆流、順 流傳播時間和波形。圖3所示為本發(fā)明仿真電路2—個實施方式的工作原理圖。 一個預(yù)選的 數(shù)字信號波形被選擇并下載到仿真電路2里，該數(shù)字信號波形可以通過一個 數(shù)/才莫轉(zhuǎn)換器(DAC) 25轉(zhuǎn)換成流量計1可以識別的模擬信號波形， 一個可以 為DAC25提供工作時鐘的振蕩器21;在振蕩器21與DAC25之間有一個開 關(guān)，該開關(guān)可以是一個邏輯門，比如一個與門，是通過一個延時發(fā)生器22來 控制的。檢測時，延時發(fā)生器22接收到一個觸發(fā)信號，同時產(chǎn)生一個預(yù)定的 延時，比如一個逆流延時Tup，在逆流延時Tup結(jié)束的同時，延時發(fā)生器22 發(fā)出信號啟動所述振蕩器21與DAC 25之間的開關(guān)，則振蕩器21開始向DAC 25傳送工作時鐘，而DAC 25則開始把所述選定的數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)變?yōu)槟M 信號波形，并傳送回流量計1，從而模擬了一個逆流傳播時間。順流傳播時 間可以用同樣的方法^^擬。圖4所示為本發(fā)明仿真電路2—個實施方式的方框圖。其中，仿真電路 2包括一個與流量計1電氣連接的接口電路20和一個與計算設(shè)備3電連接的 端口28。該接口電路20與上、下連接線10、 ll相連，接收并偵測到從流量 計l發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號，同時產(chǎn)生一個觸發(fā)信號。延時發(fā)生器22接收到接 口電路20發(fā)出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生預(yù)定的逆流或順流延時Tup、 Tdn;在Tup 或Tdn結(jié)束的同時，振蕩器21與DAC25之間的開關(guān)閉合，從而振蕩器21向 DAC 25傳送時鐘信號，DAC 25開始把從計算設(shè)備3下載并存儲在記憶體29 中的預(yù)選數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)換為模擬信號波形。在用流量計1實際測量流速的 過程中，由于流體的動態(tài)變化，傳送回流量計1波形的頻率和/或幅值可能有 所不同。在本發(fā)明的一個實施方式中，計算設(shè)備3中保存的若干個預(yù)選的數(shù) 字信號波形有不同的頻率和/或幅值。從而，可以通過選擇不同的數(shù)字信號波 形，才莫擬實際測量過程中管道100內(nèi)動態(tài)的流動情形。另外，在用流量計1 實際測量流速的過程中，流量計1接收到的波形與流量計1發(fā)出的波形比較， 可能在幅值上有衰減，為了模擬這種情況，本發(fā)明的一個實施方式中，通過 DAC 25轉(zhuǎn)換的模擬信號波形在傳送回流量計1之前，先經(jīng)過一個可編程幅值 衰減器26。該可編程幅值衰減器26將DAC 25轉(zhuǎn)變的模擬信號波形進行預(yù)定的幅值衰減，再傳送給流量計l。當(dāng)然，這種將DAC25轉(zhuǎn)換的模擬信號波形 幅值進行預(yù)定衰減的功能也可以通過軟件的方式來實現(xiàn)。仿真電路2還包括 有一個微處理器23 (MPU )，該MPU 23控制仿真電路2與計算設(shè)備3之間 的通信，并控制仿真電路2中其他元件的工作。仿真電路2又包括有可編程 邏輯門電路(FPGA) 24,作為仿真電路2內(nèi)電路連接的高速接口。在一實施 方式中，振蕩器21是一個振蕩器模塊，該振蕩器模塊21包括若干個振蕩器， 不僅為DAC25提供工作時鐘，同時還為延時發(fā)生器、MPU23、 FPGA24提 供時鐘信號，這些時鐘信號可以根據(jù)需要具有不同的頻率。如圖5所示，接口電路20包括一個與流量計1的上、下連接線10、 11 相連的連接器201。流量計l間隔經(jīng)由上、下連接線10、 ll發(fā)送脈沖驅(qū)動信 號。在一個實施方式中，脈沖驅(qū)動信號的一個上升沿產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā) 信號是逆流或順流延時Tup、 Tdn的計時起點；在其他的實施方式中，觸發(fā)信 號也可以從脈沖驅(qū)動信號的一個下降沿產(chǎn)生。接口電路20包括一個接收連接 器201傳送的脈沖驅(qū)動信號并產(chǎn)生觸發(fā)信號的觸發(fā)產(chǎn)生器202。在本發(fā)明的 一個實施方式中，該觸發(fā)產(chǎn)生器202為一個比較器芯片，該比較器芯片202 設(shè)有脈沖驅(qū)動信號輸入端、參考電壓輸入端、由MPU23控制的鎖存輸入端、 以及將觸發(fā)信號輸出給延時發(fā)生器22的輸出端。所述鎖存輸入端有一個特 性，即當(dāng)其輸入為高時，該比較器芯片的輸出維持高電壓。所以觸發(fā)產(chǎn)生器 202的工作原理為將其偵測到的脈沖驅(qū)動信號與參考電壓比較， 一旦偵測 到驅(qū)動信號的一個下降沿或上升沿，即產(chǎn)生觸發(fā)信號，同時鎖存輸入端變?yōu)?高，以使該觸發(fā)信號維持在一個高電位，而不論接下來的脈沖驅(qū)動信號變低 或變高。在從DAC25轉(zhuǎn)換的模擬信號輸出完成后，MPU23發(fā)出指令使鎖存 輸入端輸入變?yōu)榈停?一直到下一次觸發(fā)信號產(chǎn)生。當(dāng)然，所述觸發(fā)產(chǎn)生器202 可以有其他^[艮多不同的實現(xiàn)方式，比如用不同的比較器、開關(guān)，通過合理的 電路連接，來實現(xiàn)上述的在偵測到驅(qū)動信號上升沿或下降沿的同時產(chǎn)生觸發(fā) 信號，并維持該觸發(fā)信號在一個高電位。該接口電路20還包括一個路線選擇 開關(guān)204，該路線選擇開關(guān)204與DAC 25的輸出相連，自動將DAC 25轉(zhuǎn)換 完成的模擬信號波形按正確的通道發(fā)送回流量計1,當(dāng)脈沖驅(qū)動信號是通過 上連接線IO發(fā)出的時，所述模擬信號波形沿下連接線11回饋給流量計1， 反之，則通過上連接線IO傳送回流量計。MPU23通過FPGA24自動控制路 線選擇開關(guān)204的工作。延時發(fā)生器22在接收到接口電路20所產(chǎn)生的觸發(fā)信號的同時，產(chǎn)生可 編程的、精確的延時Tup、 Tdn。為了保證高分辨率的同時可以產(chǎn)生一個相對 較長的延時，作為本發(fā)明的一個實施方式，每一個延時Tup、 T加可分為長延 時Tc和短延時Td兩部分，圖6和圖7所示為實現(xiàn)所述長、短延時Tc、 Td兩 部分的延時發(fā)生器22的一個實施方式。如圖7所示，觸發(fā)信號和振蕩器21 所發(fā)出的時鐘信號分別連接一個與門228的兩個輸入端，從而，當(dāng)觸發(fā)信號 產(chǎn)生時，振蕩器21開始為一個計數(shù)器220輸送工作時鐘，計數(shù)器220開始計 數(shù)，以產(chǎn)生一個長延時Tc。顯然該長延時Te是振蕩器21所輸出工作時鐘周 期的整數(shù)倍。在該長延時Te結(jié)束時，振蕩器21所產(chǎn)生的工作時鐘被傳送給 一個高精度延時器221以產(chǎn)生一個短延時Td。在該短延時Td結(jié)束時，振蕩器 21的工作時鐘被輸送給DAC 25。在一個實施方式中，三個8位計數(shù)器集成 在一起形成一個24位計數(shù)器220，從而可以產(chǎn)生一個相對較長的延時范圍， 比如10納秒至160毫秒。在該三個8位計數(shù)器中，最高位的計數(shù)器控制流向 高精度延時器221的路徑。在本發(fā)明的一個實施方式中，高精度延時器221是一個可編程延遲線， 其可以產(chǎn)生高精度的短延時Td,比如其分辨率可以達到IO皮秒。圖8A和8B所示為觸發(fā)信號與計數(shù)器220時鐘信號之間可能出現(xiàn)的不同 步問題。如圖8A所示，如果觸發(fā)信號，也就是驅(qū)動信號的第一個有效上升 沿或下降沿，與計數(shù)器220時鐘信號一個周期的開始重合，那么，計數(shù)器220 所計算出的是準確的時間，其為計數(shù)器220時鐘信號周期的整數(shù)倍。但是， 如圖8B所示，如果觸發(fā)信號出現(xiàn)在計數(shù)器220時鐘信號某個周期的中間位置， 而計數(shù)器220仍計算出一個其周期整數(shù)倍的時間，則在計數(shù)器220所讀數(shù)據(jù) 與實際延遲時間之間有一個誤差Te，如果計數(shù)器220工作頻率為100兆赫茲， 那么其間的誤差Te在0至10納秒之間。為了解決圖8B中的不同步問題，圖6和圖7中所示的延時發(fā)生器22包 括一個誤差偵測元件223，該誤差偵測元件223檢測出觸發(fā)信號與計數(shù)器220 時鐘信號之間的不同步問題，并該其間的誤差報告給MPU23， MPU23計算 出一個補償值并將該補償值加到高精度延時器221。在本發(fā)明的一個實施方 式中，該誤差偵測元件223是一個時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，其基本的工作 原理是它可以檢測出兩個脈沖信號之間的時間差，TDC有一個與觸發(fā)信號 相連的"開始，，輸入端，以及一個與計數(shù)器220時鐘信號相連的"結(jié)束"輸入端，當(dāng)TDC的"開始"、"結(jié)束"輸入端不同步，即觸發(fā)信號與計數(shù)器220 的時鐘信號不同步時，TDC通知MPU23,以計算出一個補償值。圖9所示為模擬一個延時周期過程中的幾個信號，以一個逆流延時Tup 為例。首先通過計算設(shè)備3預(yù)設(shè)一個逆流延時Tup并傳送到仿真電路2的MPU 23,從計算設(shè)備3中選擇一個數(shù)字信號波形并存儲在仿真電路2的存儲器29 中；流量計1經(jīng)由上連接線10向接口電路20發(fā)送脈沖驅(qū)動信號，接口電路 20的觸發(fā)發(fā)生器202捕捉到流量計1驅(qū)動信號第一個有效上升沿并產(chǎn)生觸發(fā) 信號，且觸發(fā)發(fā)生器202的鎖存輸入端變高以維持該觸發(fā)信號；觸發(fā)信號被 傳送到延時發(fā)生器22，同時延時發(fā)生器22的計數(shù)器220開始一個長延時Tc, 與此同時，同步偵測元件23檢測觸發(fā)信號與計數(shù)器220的時鐘信號相應(yīng)周期 起始點之間的時間差，并將其傳送到MPU23以計算一個補償值Te，并傳送 給高精度延時器221，高精度延時器221在計數(shù)器220所計的長延時Te結(jié)束 時，開始計一個短延時Td，從而一個逆流延時Tup就完成了。此時，DAC25 取得工作時鐘信號并開始將選定的數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)變成模擬信號波形。當(dāng)模 擬信號波形輸出完成時，MPU23使觸發(fā)發(fā)生器202的鎖存輸入端變低，則觸 發(fā)信號停止，直到下一個計時周期開始。參照圖10所示，作為本發(fā)明延時發(fā)生器22的另一個實施例，其中振蕩 器21，是一個基于延遲線的振蕩器，該基于延遲線的振蕩器21，包括串聯(lián)在一 起的與門224，、非門225，和延遲線226，。與門224，接收到從接口電路20發(fā) 出的觸發(fā)信號，延遲線226，開始向計數(shù)器220和高精度延時器221發(fā)送工作 時鐘信號。因為該基于延遲線的振蕩器21，是從接收到觸發(fā)信號才開始工作 的，所以在觸發(fā)信號與延時發(fā)生器22的工作時鐘之間不會有不同步的問題發(fā) 生。在以上的實施方式中，為延遲發(fā)生器22和DAC 25提供時鐘信號的是同 一個振蕩器21,其實質(zhì)上是通過將振蕩器21所發(fā)的時鐘信號經(jīng)過一段延時 (即所述逆流、順流延時Tup、 Tdn)后傳送給DAC 25的。當(dāng)然，依據(jù)圖3 所示的仿真電路2的工作原理，可以用不同的振蕩器分別為延遲發(fā)生器22和 DAC 25提供時鐘信號。雖然結(jié)合特定的實施例對本發(fā)明進行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權(quán)利要求書的 意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于測試流量計的仿真電路，包括與流量計電連接的接口電路，該接口電路接收從流量計發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號，在偵測到該脈沖驅(qū)動信號的上升沿或下降沿的同時產(chǎn)生觸發(fā)信號；發(fā)送時鐘信號的振蕩器；延時發(fā)生器，在觸發(fā)信號產(chǎn)生時開始預(yù)定的延時；以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，在延時器所產(chǎn)生的預(yù)定的延時結(jié)束時，所述振蕩器向DAC發(fā)送時鐘信號，DAC開始將預(yù)選的數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁坑嬁梢宰R別的模擬信號波形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述延時 發(fā)生器包括計數(shù)器和精確計時器，振蕩器在觸發(fā)信號產(chǎn)生的同時為計時器提 供時鐘信號，則計時器開始預(yù)設(shè)的長延時；在該長延時結(jié)束時，振蕩器為精 確計時器提供時鐘信號，則該精確計時器開始預(yù)設(shè)的短延時；在該短延時結(jié) 束時，振蕩器向DAC提供時鐘信號，從而DAC開始將預(yù)選的數(shù)字信號波形 轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號波形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述精確 計時器是可編程延遲線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測試流量計的仿真電路，其中該仿真電 路進一步包括誤差偵測元件，該誤差偵測元件偵測觸發(fā)信號與延時發(fā)生器時 鐘信號相應(yīng)起始點之間的不同步，從而其間的誤差可以被計算出來，以補償 該誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述誤差 偵測裝置是可以偵測兩個脈沖信號之間的時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換 器有連接觸發(fā)信號的"開始"輸入端和連接延時發(fā)生器時鐘信號的"終止" 輸入端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測試流量計的仿真電路，其中振蕩器是 基于延遲線的振蕩器，該基于延遲線的振蕩器在接收到觸發(fā)信號的同時產(chǎn)生 時鐘信號，該時鐘信號的頻率是由延遲線的延遲時間確定的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述基于 延遲線的振蕩器包括與門、非門和延遲線，與門的一個輸入端連接觸發(fā)信號，非門的輸入端連接與門的輸入端，延遲線與非門的輸出，而延遲線的輸出端 返回與門的另 一個輸入端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測試流量計的仿真電路，其中接口電路 包括觸發(fā)發(fā)生器，該觸發(fā)發(fā)生器在脈沖驅(qū)動信號上升沿或下降沿的同時產(chǎn)生 觸發(fā)信號并維持該觸發(fā)信號，直至模擬信號波形輸出完畢。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述觸發(fā) 發(fā)生器為比較器，該比較器包括一個與驅(qū)動信號電氣連接的輸入端和一個參 考電壓輸入端，通過將驅(qū)動信號與參考電壓比較，捕捉到驅(qū)動信號的上升沿 或下降沿，同時產(chǎn)生觸發(fā)信號并維持該觸發(fā)信號直到模擬信號波形輸出結(jié)束。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測試流量計的仿真電路，其中所述接 口電路與流量計的上、下連接線電連接，該接口電路包括有路線選擇開關(guān)， 所述模擬信號波形經(jīng)由該路線選擇開關(guān)，并由該路線選擇開關(guān)自動選擇上、 下連接線之一傳送回流量計。
11. 才艮據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項所述的用于測試流量計的仿真電 路，其中該仿真電路進一步包括幅值衰減器，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換的模擬信號流經(jīng) 該幅值衰減器，該模擬信號的幅值在經(jīng)預(yù)定的衰減后再流向流量計。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項所述的用于測試流量計的仿真電 路，其中有若干個預(yù)選的數(shù)字信號波形，該若干個數(shù)字信號波形具有不同 的頻率、幅值，通過不同的延時周期選擇不同的數(shù)字信號波形來模擬流量計 測量過程中所測流體的動態(tài)變化。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用以檢測流量計的仿真電路，該仿真電路包括與流量計電連接的接口電路、延時發(fā)生器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及產(chǎn)生時鐘信號的振蕩器。接口電路接收從流量計發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號，在偵測到脈沖驅(qū)動信號的上升沿或下降沿的同時產(chǎn)生觸發(fā)信號，同時延時發(fā)生器開始預(yù)定的延時，在該預(yù)定的延時結(jié)束時，所述振蕩器向DAC發(fā)送時鐘信號，DAC開始將預(yù)選的數(shù)字信號波形轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁坑嬁梢宰R別的模擬信號波形并傳送回流量計。
文檔編號G01F25/00GK101334308SQ20071012636
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者華 周, 托馬斯·J·巴特津格, 敖曉蕾, 杰弗里·狄爾登, 顧毅康, 黃寶明 申請人:通用電氣公司