專利名稱：高溫高壓超聲波溫度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于精密傳感器和檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用超聲波技術(shù)精密測(cè) 量溫度的溫度計(jì)。
背景技術(shù)：
超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，能夠定向傳播， 傳播時(shí)遇到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有顯著的反射。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)越來(lái)越多 的應(yīng)用于溫度等的精密測(cè)量。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度隨溫度、壓強(qiáng)等狀態(tài)參量的變化而變化。超聲波 在氣體中傳播時(shí)傳播速度每秒約數(shù)百米，隨溫度升高而增大，0°c時(shí)空氣中音速為331. 4米 /秒，15°C時(shí)為340米/秒，溫度每升高1°C，音速約增加0. 6米/秒。測(cè)得傳輸距離不變時(shí) 超聲波在不同溫度下的傳播時(shí)間，就可以測(cè)得溫度。例如，20°C時(shí)超聲波的速度是344米 /秒，21°C時(shí)超聲波的速度是344. 6米/秒，如果超聲波的傳輸距離是0. 3米，則在20°C時(shí) 超聲波的傳輸時(shí)間是8. 7209 X 10_4秒，在21°C時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間是8. 7057 X 10_4秒，在 21°C時(shí)和20°C時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間差為1. 52X 10_5秒。要保證測(cè)量達(dá)到0. 001°C的測(cè)量分 辨率，要求超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的分辨率要達(dá)到1 2納秒才能實(shí)現(xiàn)。如果用常規(guī)的定時(shí) 計(jì)數(shù)電路測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，則時(shí)鐘電路的頻率至少要達(dá)到1G，這對(duì)于儀器開發(fā)來(lái)講 顯然很難實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)上述問(wèn)題，公開了一種測(cè)量分辨率可達(dá)O.OOrC的精密溫度測(cè)量 方法和儀器，設(shè)計(jì)了超聲波溫度傳感器、FPGA電路和軟件細(xì)分插補(bǔ)算法，可以在保證測(cè)量實(shí) 時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下的高精度溫度測(cè)量。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種超聲波溫度計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量分辨率優(yōu)于O.OOrC的精密溫度測(cè)量。所述溫度 計(jì)方法采用超聲波溫度傳感器、硬件電路及相關(guān)算法兩部分。超聲波溫度傳感器包括充滿 氣體的空心球體和相對(duì)安裝在空心球體最大圓周上的兩個(gè)超聲波換能器El和E2。硬件電 路主要包括超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波回波信號(hào)濾波電路、放大電路和信號(hào)處理電路。 信號(hào)處理電路主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU) 組成。所述換能器El是壓電式傳感器，可以把具有一定能量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)， 當(dāng)信號(hào)的頻率在超聲波的頻率范圍內(nèi)時(shí)，換能器El把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。換能器 E2也是壓電式傳感器，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)作用到超聲波換能器E2上 時(shí)，它把超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)可以稱之為超聲波回波信號(hào)。所述超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)和功率放大電路。D/A轉(zhuǎn)換器用于把FPGA發(fā)出的數(shù)字正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號(hào)，功率放大電路用于放大該正弦信 號(hào)的功率，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)超聲波換能器E1。所述A/D轉(zhuǎn)換器主要用于把超聲波回 波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入FPGA。所述FPGA電路主要功能有兩個(gè)第一個(gè)功能是在CPU的控制下產(chǎn)生數(shù)字正弦信 號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并經(jīng)功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)換能器El。第二個(gè) 功能是完成超聲波回波信號(hào)的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。超聲波換能器El發(fā)射一定數(shù)量的周期性正弦超聲波信號(hào)，該信號(hào)在氣體中傳播 到達(dá)換能器E2后，激勵(lì)換能器E2產(chǎn)生超聲波回波信號(hào)，回波信號(hào)的幅值隨著換能器接收到 的超聲波信號(hào)的連續(xù)激勵(lì)而逐漸增大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)停止時(shí)，換能器的機(jī)械振動(dòng)在慣性的作 用下仍然會(huì)持續(xù)并逐漸衰減，回波信號(hào)的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號(hào)是一個(gè)變 幅周期性信號(hào)，其周期對(duì)應(yīng)于超聲波信號(hào)的周期。回波信號(hào)幅值最大的那個(gè)周期對(duì)應(yīng)于換 能器El最后發(fā)出的那個(gè)超聲波信號(hào)的周期。超聲波的傳播時(shí)間就是換能器El發(fā)出的超聲波信號(hào)上的任意一點(diǎn)與換能器E2接 收到的回波信號(hào)上相對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵是確定傳 播時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。傳播時(shí)間的起點(diǎn)可以是換能器El發(fā)出的超聲波信號(hào)上特定所對(duì)應(yīng) 的時(shí)刻，時(shí)間的終點(diǎn)是回波信號(hào)上與超聲波信號(hào)特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻?；夭ㄐ盘?hào)是一個(gè)變幅值周期性信號(hào)，其波形中最有特征的波是幅值最大的那個(gè) 波，可以稱之為特征波，特征波對(duì)應(yīng)于超聲波信號(hào)的最后一個(gè)波。在特征波中，最有特征的 點(diǎn)是過(guò)零點(diǎn)和峰值點(diǎn)，可以選擇過(guò)零點(diǎn)作為回波信號(hào)的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是傳 播時(shí)間的終點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)，超聲波信號(hào)波形中最后那個(gè)波的過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻可以確 定為傳播時(shí)間的起點(diǎn)。由于超聲波信號(hào)是FPGA在CPU的控制下產(chǎn)生的，傳播時(shí)間的起點(diǎn)，也就是超聲波 信號(hào)最后那個(gè)波的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻很容易由CPU精確確定，其精度取決于FPGA的運(yùn)行頻率。傳播時(shí)間的終點(diǎn)，也就是回波信號(hào)特征波中過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻通過(guò)細(xì)分插補(bǔ)算 法來(lái)確定。細(xì)分插補(bǔ)算法根據(jù)FPGA中存儲(chǔ)的超聲波回波的A/D采樣信號(hào)首先確定回波信號(hào) 中峰值幅值最大的那個(gè)周期內(nèi)的波形；然后確定過(guò)零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)(一個(gè)比零大，一 個(gè)比零小)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；最后以過(guò)零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，用擬合的方法對(duì)采樣點(diǎn) 進(jìn)行細(xì)分插補(bǔ)，確定回波信號(hào)過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻， 其精度主要取決于A/D采樣的分辨率。本實(shí)用新型提出的高精度超聲波溫度計(jì)的工作原理如下超聲波換能器El與超 聲波換能器E2相對(duì)安裝在空心球體上，中央處理單元CPU控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA輸 出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓信號(hào)依次通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路輸入至所述超聲波換能 器El，該超聲波換能器El將所述該輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)。所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器El發(fā)出的超聲波信號(hào)，并輸出超聲 波回波信號(hào)，由濾波電路對(duì)超聲波換能器E2發(fā)出的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再由放大電 路進(jìn)行放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的 存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據(jù)FPGA發(fā)射超聲波的數(shù)據(jù)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號(hào)的A/D采樣數(shù)據(jù)，采用通過(guò)細(xì) 分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，進(jìn)而精確確定超聲波在兩個(gè)換 能器E1、E2之間的傳輸時(shí)間。然后CPU根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器空心球體中兩個(gè)換 能器E1、E2之間的不同傳輸時(shí)間精確計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的溫度。由此，本實(shí)用新型提出的高精度超聲波溫度計(jì)包括超聲波換能器E1、超聲波換能 器E2、D/A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門 陣列FPGA和中央處理單元CPU ；所述超聲波換能器El與超聲波換能器E2相對(duì)安裝在空心球體最大圓周上，金屬 空心球體中充滿氣體。所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA 輸出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由D/A轉(zhuǎn)換 電路對(duì)所述正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放 大，功率放大電路與超聲波換能器El連接，將信號(hào)輸入至所述超聲波換能器E1，該超聲波 換能器El將所述該輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器El發(fā)出的超聲波信號(hào)，把機(jī)械振動(dòng) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出超聲波回波信號(hào)，并通過(guò)與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn) 換電路，使所述超聲波回波信號(hào)依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 FPGA ；所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA同時(shí)采樣輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸入的超聲波回 波信號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)細(xì)分 插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；然后，根據(jù)輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信 號(hào)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。從而精確確定超聲波在兩個(gè)換能器E1、E2之間 的傳輸時(shí)間。最后CPU根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器空心球體中兩個(gè)換能器E1、E2之間 的不同傳輸時(shí)間精確計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的溫度。本實(shí)用新型由于采用了基于FPGA的硬件電路和特殊的軟件細(xì)分算法，可以實(shí)現(xiàn) 納秒級(jí)精度的超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于0. oorc的高精度溫度測(cè)量，并 保證很好的實(shí)時(shí)性。本實(shí)用新型可廣泛的用于高溫高壓環(huán)境下精密溫度測(cè)量和控制等領(lǐng) 域。

圖1是一種高溫高壓超聲波溫度計(jì)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是加在換能器El上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意圖；圖3是換能器E2上接受到的超聲波回波信號(hào)示意圖；圖4是一種精密測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間方法的硬件工作原理示意圖；圖5a_5b是確定超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。[0031]參見圖1，本溫度計(jì)主要由金屬空心球體10、超聲波換能器E111、換能器E212，中 央處理單元CPU19，現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣FPGE118，A/D轉(zhuǎn)換電路17，濾波電路16，放大電路 15，功率放大電路14、D/A轉(zhuǎn)換電路13、顯示電路20、鍵盤電路21和D/A轉(zhuǎn)換電路22構(gòu)成。 金屬空心球體10、超聲波換能器E111、換能器E212構(gòu)成溫度傳感器，空心球體中充滿氣體， 超聲波換能器El與超聲波換能器E2相對(duì)安裝在空心球體最大圓周上。顯示電路20用于 顯示CPU計(jì)算出的溫度值，鍵盤電路21用于向輸入溫度計(jì)的參數(shù)及操作人員的權(quán)限，D/A轉(zhuǎn) 換電路22將溫度值從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流信號(hào)，輸出工程控制中常用的4 20毫安 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。參見圖2，是超聲波換能器El上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它是在FPGA中產(chǎn)生的數(shù)字正弦信號(hào) 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)，然后再經(jīng)功率放大電路放大而成，圖中的V代表信號(hào) 的電壓，t代表時(shí)間。該信號(hào)的頻率為1MHz，電壓約10V，電流約1. 5A，具有約15瓦的電能， 足以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器El將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)出超聲波信號(hào)。參見圖3，是在換能器E2上輸出的超聲波回波信號(hào)，圖中的V代表信號(hào)的電壓，t 代表時(shí)間。換能器El發(fā)出的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的傳播時(shí)間后傳播到換能器E2上時(shí)，換 能器E2將超聲波信號(hào)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出超聲波回波信號(hào)。換能器E2輸出的電信 號(hào)在超聲波沒(méi)有傳播到換能器E2上以前，幅值為零，換能器E2接收到超聲波信號(hào)后，輸出 的電信號(hào)幅值逐漸增加，然后逐漸減小衰減至零，是一個(gè)變幅周期信號(hào)，幅值最大的那個(gè)波 對(duì)應(yīng)于超聲波信號(hào)的最后一個(gè)波。超聲波回波信號(hào)的頻率取決于超聲波信號(hào)的頻率，也是 IMHz。參見圖4，CPU 19向FPGA18中的同步電路432發(fā)出開始采樣命令后，F(xiàn)PGA18同時(shí) 啟動(dòng)對(duì)超聲波換能器Elll的驅(qū)動(dòng)和對(duì)超聲波換能器E212輸出信號(hào)的采樣。構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器431發(fā)送頻率為IMHz的8個(gè)周期的正弦信 號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路13轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)功率放大電路14放大后，加載在換 能器Elll上，發(fā)出超聲波信號(hào)。換能器E212輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路15放大后，經(jīng) 過(guò)濾波電路16濾波后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路17。FPGA內(nèi)部的采樣電路433控制A/D轉(zhuǎn)換電 路443將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲(chǔ)區(qū)434 中。采樣完成后，F(xiàn)PGA430向CPU19發(fā)送采樣結(jié)束狀態(tài)信息，CPU19接收到采樣結(jié)束狀態(tài)信 息后，結(jié)束一次采樣。采樣結(jié)束后，CPU19首先根據(jù)FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器431的數(shù)據(jù)精確確定 超聲波信號(hào)中起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻TQD。然后CPU19發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲(chǔ)區(qū)434中的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算超聲 波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是通過(guò)對(duì)回波信號(hào)所有采樣數(shù)據(jù)用細(xì)分插補(bǔ) 算法進(jìn)行分析和計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的。參見圖5a，分析超聲波換能器E2輸出的超聲波回波信號(hào)可 知，為保證測(cè)量的重復(fù)性，應(yīng)該在峰值幅值最大的波形中提取超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)。在這 個(gè)波形的整周期內(nèi)，最明顯的兩個(gè)特征點(diǎn)是峰值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)，把過(guò)零點(diǎn)確定為回波信號(hào)的 時(shí)間參考點(diǎn)更容易獲得高精度。參見圖5a，本實(shí)用新型的超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的計(jì)算方法是首先逐點(diǎn)比較A/D采樣點(diǎn)，找出采樣點(diǎn)的最大值就可以很容易的確定幅值最大的波形，可以把這一波形稱之為特征值波形；其次，參加圖5b，確定超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的過(guò)零點(diǎn)Ptl前面一個(gè)采樣點(diǎn)P 和后面一個(gè)采樣點(diǎn)P+1，顯然在特征波內(nèi)采樣點(diǎn)P的采樣值大于零，采樣點(diǎn)P+1的采樣值小
于零；最后，以采樣點(diǎn)P和P+1兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為基準(zhǔn)，用細(xì)分插補(bǔ)算法可以準(zhǔn)確計(jì)算 出過(guò)零點(diǎn)Ptl所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，具體計(jì)算方法如下設(shè)A/D的采樣頻率為FA/D，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間即采樣周期為TA/D ；從第一 個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣數(shù)為N，采樣點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的采樣值為VI，采樣點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的時(shí) 刻為Tl ；采樣點(diǎn)P+1對(duì)應(yīng)的采樣值為V2 ；采樣點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為Tl，采樣點(diǎn)P與過(guò)零點(diǎn) Ptl之間的時(shí)間為T2，過(guò)零點(diǎn)Ptl對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為Tzd，超聲波的傳輸時(shí)間為T，則 Tl = Nx-J-
於AID在過(guò)零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方 法確定T2 則過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為 從上式可知，超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的分辨率為 參加圖5b，假設(shè)超聲波回波信號(hào)的頻率為1M，則周期為Ius ；A/D的分辨率是12
位，那么可以將信號(hào)的幅值分為4096份，設(shè)A/D的采樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大
值到負(fù)的最大值的半個(gè)周期內(nèi)，可以最多采16個(gè)點(diǎn)，如果把正弦波正的最大值到負(fù)的最大
值的半個(gè)周期內(nèi)的波形看作是直線，則顯然可知 4096 觀察正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個(gè)周期內(nèi)的波形可以看出，過(guò)零點(diǎn)附近 曲線的斜率遠(yuǎn)大于峰值附近曲線的斜率，則V2-V1 > 256 參見圖5，超聲波的傳輸時(shí)間為 由于超聲波傳輸時(shí)間起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻可以精確確定，則超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的 分辨率取決于超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的分辨率，故超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的分辨率小于0. 122納秒。安裝在空心球體上的換能器El和E2之間的距離是固定的，測(cè)得超聲波 在不同溫度下在換能器El和E2之間的傳播時(shí)間，就可以測(cè)得溫度。例如，20°C時(shí)超聲波在 氣體中的速度是344米/秒，21°C時(shí)的速度是344. 6米/秒，如果換能器El和E2之間的距 離是0. 3米，則在20°C時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間是8. 7209 X 10_4秒，在21°C時(shí)超聲波的傳輸時(shí) 間是8. 7057X IO"4秒，在21°C時(shí)和20°C時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間差為1. 52X IO"6秒。如上所 述，超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的分辨率優(yōu)于ι. οχιο_9秒，則可以實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于ο. oorc的溫 度測(cè)量。密閉空心球體中的溫度發(fā)生急劇變化時(shí)，空心球體中的壓強(qiáng)也發(fā)生急劇變化，和其 他幾何形狀相比，球體能夠承受更高的壓力，并且空心球體的幾何尺寸受溫度發(fā)生變化的 影響要小于其他形狀的密閉容器。同時(shí)由于氣體在很大的溫度范圍內(nèi)可以保持物態(tài)不發(fā)生 變化，故所述溫度計(jì)可以用于高溫高壓環(huán)境下的大量程溫度測(cè)量。
權(quán)利要求一種高溫高壓超聲波溫度計(jì)，其特征在于其包括超聲波溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和中央處理單元CPU；所述超聲波溫度傳感器是由超聲波換能器E1與超聲波換能器E2相對(duì)安裝在一空心球體式金屬容器內(nèi)的最大圓周上構(gòu)成，所述容器中充滿氣體；所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由D/A轉(zhuǎn)換電路對(duì)所述正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，功率放大電路與超聲波換能器E1連接，將信號(hào)輸入至所述超聲波換能器E1，該超聲波換能器E1將所述該輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器E1發(fā)出的超聲波信號(hào)，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出超聲波回波信號(hào)，并通過(guò)與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，使所述超聲波回波信號(hào)依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA；所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA同時(shí)采樣輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸入的超聲波回波信號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；根據(jù)輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，從而精確確定超聲波在兩個(gè)換能器E1、E2之間的傳輸時(shí)間；CPU再根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器空心球體中兩個(gè)換能器E1、E2之間的不同傳輸時(shí)間精確計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的溫度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高溫高壓超聲波溫度計(jì)，其包括超聲波溫度傳感器、超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波回波信號(hào)處理電路。超聲波溫度傳感器包括充滿氣體的空心球體和相對(duì)安裝在空心球體最大圓周上的兩個(gè)超聲波換能器兩部分。超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路包括D/A和功率放大電路。超聲波回波信號(hào)處理電路主要由濾波電路、放大電路和A/D、FPGA和CPU組成。超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波，超聲波回波信號(hào)處理電路精密測(cè)量超聲波在空心球體中的傳播時(shí)間。超聲波在氣體中的傳播速度隨溫度的變化而變化，測(cè)出超聲波在空心球體中不同溫度下的傳播時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。由于采用了高精度超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量電路和算法，所述溫度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量，溫度測(cè)量的精度取決于超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度，測(cè)量范圍取決于空心球體的直徑。
文檔編號(hào)G01K11/22GK201637502SQ20102017781
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者萬(wàn)文略, 馮濟(jì)琴, 劉小康, 張興紅, 楊繼森, 王先全, 陳錫侯, 高忠華 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)