超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波流量計(jì)測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng) 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于超聲波流量計(jì)不接觸被測(cè)介質(zhì)，測(cè)量準(zhǔn)確度受介質(zhì)溫度和壓力參數(shù)影響較 小等特點(diǎn)，使其得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 申請(qǐng)人公司之前在超聲波流量計(jì)研發(fā)過(guò)程中，采用時(shí)差法測(cè)量流體流速，基本原 理都是測(cè)量超聲波脈沖在順?biāo)骱湍嫠髦械臅r(shí)間差來(lái)反應(yīng)流速，從而測(cè)出流量。因此在 此前的超聲波流量計(jì)研發(fā)時(shí)，為得到流速的信息，須將超聲波傳感器安裝在實(shí)際的管道 上，并通過(guò)一定流速的流體，才能驗(yàn)證相關(guān)超聲波流量計(jì)脈沖收發(fā)電路是否正常，測(cè)量結(jié) 果是否線性等相關(guān)信息。在不具備管道和流體的情況下，這樣的功能測(cè)試就不能進(jìn)行。因 此有必要設(shè)計(jì)一種模擬超聲波傳感器收發(fā)波形的電路系統(tǒng)，使超聲波流量計(jì)的參數(shù)驗(yàn)證 工作在沒(méi)有實(shí)際管道和流體的情況下，也可以驗(yàn)證超聲波脈沖收發(fā)電路是否正常，以及流 量計(jì)線性度是否在合理范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)及方 法，本方法結(jié)合本系統(tǒng)可以有效地解決超聲波流量計(jì)功能驗(yàn)證必須在具備管道和一定流速 流體情況下才能進(jìn)行的弊端，使超聲波流量計(jì)的功能驗(yàn)證在無(wú)管道流體的情況下也能實(shí) 現(xiàn)，本發(fā)明適用于在不需要實(shí)際管道流體的情況下，模擬超聲波流量計(jì)的信號(hào)收發(fā)方式， 實(shí)現(xiàn)流速的模擬和線性度分析。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：一種超聲波流量計(jì)的流速模擬系 統(tǒng)，包括FPGA電路、觸摸屏、DA轉(zhuǎn)換器、輸出控制電路、通道切換電路、信號(hào)閾值比較電路以 及兩個(gè)換能器，所述FPGA電路分別與輸出控制電路、通道切換電路連接，用于分別控制輸 出控制電路、通道切換電路的接通或斷開(kāi)，所述FPGA電路通過(guò)RS485接口與觸摸屏連接，所 述FPGA電路通過(guò)RS232接口與待測(cè)超聲波流量計(jì)連接，所述待測(cè)超聲波流量計(jì)用于分別向 兩個(gè)換能器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述兩個(gè)換能器用于分別接受待測(cè)超聲波流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 并分別經(jīng)通道切換電路傳遞給信號(hào)閾值比較電路，所述信號(hào)閾值比較電路用于將待測(cè)超聲 波流量計(jì)驅(qū)動(dòng)換能器的驅(qū)動(dòng)電壓與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，輸出啟動(dòng)信號(hào)給FPGA電路，所述 FPGA電路用于接收信號(hào)閾值比較電路的啟動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生定時(shí)時(shí)間，定時(shí)輸出控制信號(hào)，控制 DA轉(zhuǎn)換器輸出超聲波脈沖波形，并經(jīng)輸出控制電路分別傳遞給兩個(gè)換能器。
[0006] 所述FPGA電路采用型號(hào)為EP4CE10的FPGA芯片。
[0007]所述DA轉(zhuǎn)換器采用型號(hào)為AD9760AR的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0008] 所述輸出控制電路采用型號(hào)為ADG1421的模擬開(kāi)關(guān)芯片。
[0009]所述信號(hào)閾值比較電路包括運(yùn)放U12A、運(yùn)放U14B以及若干電阻、電容，所述運(yùn)放 U14B的同相輸入端經(jīng)第28個(gè)電阻R28與通道切換電路的輸出端連接，運(yùn)放U14B的反相輸 入端分別與第26個(gè)電阻R26的一端、第27個(gè)電阻R27的一端、第53個(gè)電容C53的一端連 接，第26個(gè)電阻R26的另一端接地，第27個(gè)電阻R27的另一端、第53個(gè)電容C53的另一端 均與運(yùn)放U14B的輸出端連接，運(yùn)放U14B的輸出端經(jīng)第29個(gè)電阻R29與運(yùn)放U12A的同相輸 入端連接，運(yùn)放U12A的反相輸入端分別與電阻RA1的一端、電阻RA2的一端連接，電阻RA1 的另一端接1. 2V電壓，電阻RA2的另一端接地，所述運(yùn)放U12A的輸出端與FPGA電路連接。 [0010] 所述通道切換電路采用型號(hào)為ADG1421的模擬開(kāi)關(guān)芯片。
[0011] 一種超聲波流量計(jì)的流速模擬方法，采用了上述超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)， 包括以下步驟： 1) 在觸摸屏中預(yù)先設(shè)置模擬參數(shù)，包括管道直徑D、兩超聲波換能器與管道水平方向 夾角沒(méi)、量程、超聲波速度c，根據(jù)設(shè)定的量程確定多個(gè)用于測(cè)試線性度的測(cè)試點(diǎn)，各個(gè)測(cè) 試點(diǎn)的流體流速v對(duì)應(yīng)量程的各個(gè)百分比，將從兩個(gè)換能器中的第一換能器開(kāi)始發(fā)送脈沖 到第二換能器接收到脈沖信號(hào)的時(shí)間定義為tl，從第二換能器發(fā)送脈沖到第一換能器接收 到脈沖信號(hào)的時(shí)間定義為t2, tl與t2之差定義為」t，在觸摸屏上設(shè)置好模擬參數(shù)后，F(xiàn)PGA 根據(jù)設(shè)置的模擬參數(shù)，通過(guò)公式1、2、3計(jì)算出多個(gè)不同量程百分比點(diǎn)對(duì)應(yīng)的tl值和t2值， 其中，公式1為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：包括FPGA電路、觸摸屏、DA轉(zhuǎn)換 器、輸出控制電路、通道切換電路、信號(hào)閾值比較電路以及兩個(gè)換能器，所述FPGA電路分別 與輸出控制電路、通道切換電路連接，用于分別控制輸出控制電路、通道切換電路的接通或 斷開(kāi)，所述FPGA電路通過(guò)RS485接口與觸摸屏連接，所述FPGA電路通過(guò)RS232接口與待測(cè) 超聲波流量計(jì)連接，所述待測(cè)超聲波流量計(jì)用于分別向兩個(gè)換能器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述兩 個(gè)換能器用于分別接受待測(cè)超聲波流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并分別經(jīng)通道切換電路傳遞給信號(hào) 閾值比較電路，所述信號(hào)閾值比較電路用于將待測(cè)超聲波流量計(jì)驅(qū)動(dòng)換能器的驅(qū)動(dòng)電壓與 設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，輸出啟動(dòng)信號(hào)給FPGA電路，所述FPGA電路用于接收信號(hào)閾值比較電 路的啟動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生定時(shí)時(shí)間，定時(shí)輸出控制信號(hào)，控制DA轉(zhuǎn)換器輸出超聲波脈沖波形，并 經(jīng)輸出控制電路分別傳遞給兩個(gè)換能器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述FPGA電 路采用型號(hào)為EP4CE10的FPGA芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述DA轉(zhuǎn)換器 采用型號(hào)為AD9760AR的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述輸出控制 電路采用型號(hào)為ADG1421的模擬開(kāi)關(guān)芯片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述信號(hào)閾值 比較電路包括運(yùn)放（U12A)、運(yùn)放（U14B)以及若干電阻、電容，所述運(yùn)放（U14B)的同相輸入 端經(jīng)第28個(gè)電阻（R28)與通道切換電路的輸出端連接，運(yùn)放（U14B)的反相輸入端分別與第 26個(gè)電阻（R26)的一端、第27個(gè)電阻（R27)的一端、第53個(gè)電容（C53)的一端連接，第26 個(gè)電阻（R26)的另一端接地，第27個(gè)電阻（R27)的另一端、第53個(gè)電容（C53)的另一端均 與運(yùn)放（U14B)的輸出端連接，運(yùn)放（U14B)的輸出端經(jīng)第29個(gè)電阻（R29)與運(yùn)放（U12A)的 同相輸入端連接，運(yùn)放（U12A)的反相輸入端分別與電阻（RA1)的一端、電阻（RA2)的一端連 接，電阻（RAl)的另一端接1.2V電壓，電阻（RA2)的另一端接地，所述運(yùn)放（U12A)的輸出端 與FPGA電路連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述通道切換 電路采用型號(hào)為ADG1421的模擬開(kāi)關(guān)芯片。
7. -種超聲波流量計(jì)的流速模擬方法，其特征在于，采用了上述超聲波流量計(jì)的流速 模擬系統(tǒng)，包括以下步驟： 1)在觸摸屏中預(yù)先設(shè)置模擬參數(shù)，包括管道直徑D、兩超聲波換能器與管道水平方向 夾角沒(méi)、量程、超聲波速度c，根據(jù)設(shè)定的量程確定多個(gè)用于測(cè)試線性度的測(cè)試點(diǎn)，各個(gè)測(cè) 試點(diǎn)的流體流速V對(duì)應(yīng)量程的各個(gè)百分比，將從兩個(gè)換能器中的第一換能器開(kāi)始發(fā)送脈沖 到第二換能器接收到脈沖信號(hào)的時(shí)間定義為tl，從第二換能器發(fā)送脈沖到第一換能器接收 到脈沖信號(hào)的時(shí)間定義為t2, tl與t2之差定義為」t，在觸摸屏上設(shè)置好模擬參數(shù)后，F(xiàn)PGA 根據(jù)設(shè)置的模擬參數(shù)，通過(guò)公式1、2、3計(jì)算出多個(gè)不同量程百分比點(diǎn)對(duì)應(yīng)的tl值和t2值， 其中，公式1為
，公式
2) 啟動(dòng)測(cè)試，F(xiàn)PGA電路通過(guò)RS232接口通知超聲波流量計(jì)測(cè)試過(guò)程開(kāi)始，超聲波流量 計(jì)首先在第一換能器上發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，F(xiàn)PGA電路通過(guò)信號(hào)閾值比較電路確定接收到超聲波 流量計(jì)發(fā)射脈沖后，F(xiàn)PGA電路立刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)tl時(shí)間后，F(xiàn)PGA電路控制DA轉(zhuǎn)換器給第 二換能器輸出模擬接收信號(hào)波形，超聲波流量計(jì)測(cè)量從發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖到接收到模擬接收信 號(hào)波形的時(shí)間間隔T1，然后超聲波流量計(jì)在第二換能器上發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，F(xiàn)PGA電路通過(guò)信 號(hào)閾值比較電路確定接收到超聲波流量計(jì)發(fā)射脈沖后，F(xiàn)PGA電路立刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)t2時(shí) 間后，F(xiàn)PGA電路控制DA轉(zhuǎn)換器給第一換能器輸出模擬接收信號(hào)波形，超聲波流量計(jì)測(cè)量從 發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖到接收到模擬接收信號(hào)波形的時(shí)間間隔T2,超聲波流量計(jì)根據(jù)測(cè)量得到的時(shí) 間間隔Tl和T2,計(jì)算出流速V，并將此流速V發(fā)送給FPGA電路，F(xiàn)PGA電路根據(jù)該流速V即 可判斷出超聲波流量計(jì)工作收發(fā)信號(hào)功能是否正常，并發(fā)送給觸摸屏顯示； 3) 根據(jù)步驟2)分別計(jì)算出多個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流速，并判斷線性度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：步驟2)中所述 的驅(qū)動(dòng)脈沖是頻率為IMhz的6個(gè)連續(xù)正弦波，用于模擬換能器在接收到超聲脈沖激勵(lì)后產(chǎn) 生的一定電壓峰值的正弦波包絡(luò)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：步驟2)中所述 的模擬接收信號(hào)波形是一系列峰值漸增到達(dá)最高值后遞減的正弦波包絡(luò)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)，其特征在于：步驟1)中設(shè) 置5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的流體流速V對(duì)應(yīng)量程的10%、30%、60%、90%、100%。
【專利摘要】一種超聲波流量計(jì)的流速模擬系統(tǒng)及方法，超聲波流量計(jì)首先在第一換能器上發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，F(xiàn)PGA通過(guò)信號(hào)閾值比較電路確定接收到超聲波流量計(jì)發(fā)射脈沖后，F(xiàn)PGA開(kāi)始計(jì)時(shí)t1時(shí)間后，F(xiàn)PGA控制DA轉(zhuǎn)換器給第二換能器輸出模擬接收信號(hào)波形，超聲波流量計(jì)測(cè)量從發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖到接收到模擬波形的時(shí)間間隔T1，然后超聲波流量計(jì)在第二換能器上發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，F(xiàn)PGA通過(guò)信號(hào)閾值比較電路確定接收到超聲波流量計(jì)發(fā)射脈沖后，F(xiàn)PGA立刻開(kāi)始計(jì)時(shí)t2時(shí)間后，F(xiàn)PGA控制DA轉(zhuǎn)換器給第一換能器輸出模擬波形，超聲波流量計(jì)測(cè)量從發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖到接收到模擬接收信號(hào)波形的時(shí)間間隔T2，超聲波流量計(jì)根據(jù)T1和T2，計(jì)算出流速V。
【IPC分類】G01F25-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104535141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410809059
【發(fā)明人】趙俊奎, 王波, 張宇
【申請(qǐng)人】重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月23日