一種基于累積相位差的超聲波流量測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于累積相位差的超聲波流量測量裝置，采用連續(xù)的正弦波信號對發(fā)射傳感器進行驅(qū)動，兩路接收的超聲波信號分別進行選頻放大、波形變換后得到脈沖信號，然后在波形變化電路轉(zhuǎn)換為相位差信號；在脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路對相位差信號進行脈寬/電壓轉(zhuǎn)換時，采用N次脈沖充電機累計充電的方式對電容進行充電，從而增加了電容的充電量，使得測量的分辨率提高，從而更加精確地測量出相位差信號的脈沖寬度即時間差Δt，這樣提高流量測量的精度。
【專利說明】
一種基于累積相位差的超聲波流量測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流量檢測技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于累積相位差的超聲 波流量測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 節(jié)能降耗是當今社會和時代發(fā)展得迫切要求。開展節(jié)能降耗，首先要求對能源的 使用與消耗進行精確的量化，即采用計量器具準確地計量能源消耗，要依據(jù)計量器具所提 供的數(shù)據(jù)來計算和考核能耗，依靠計量(檢測)結(jié)果來科學(xué)管理，提高經(jīng)濟效益，才能實現(xiàn)真 正意義上的節(jié)能降耗。因此，計量(檢測)是節(jié)能降耗、消除貿(mào)易結(jié)算中雙方矛盾所必需的必 要手段，流量測量的準確性和可靠性已經(jīng)成為大家關(guān)注的焦點。
[0003] 超聲波流量測量技術(shù)由于其突出的優(yōu)點，如沒有運動部件、非接觸式測量、測量精 度高、可測量范圍寬等，在近幾年迎來了迅猛的發(fā)展。因此，超聲波流量檢測技術(shù)作為一種 新型流量檢測技術(shù)，致力于提高其流量檢測精度和擴展流量檢測使用場合等研究工作，無 論是對于國民經(jīng)濟還是科學(xué)發(fā)展等領(lǐng)域都具有極其深遠的意義。
[0004] 超聲波流量測量的方式有多種，包括傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差 法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等，其中，超聲波時差法 流量測量方法是一種分別測量超聲波在流體介質(zhì)中沿順流傳播和沿逆流傳播的傳播時間， 求得沿超聲波傳播路徑的平均流速，進而根據(jù)流體流速和流體橫截面積等參數(shù)測量管道內(nèi) 流體流量的方法。如圖1所示。圖中，E為發(fā)射傳感器，位于測量管道的一側(cè)，R A、RB為上下游接 收傳感器，位于測量管道的另一側(cè)，與發(fā)射傳感器E相對;兩路接收傳感器Ra、Rb與發(fā)射傳感 器E的安裝角度均為Θ，Co為超聲波在靜止流體中的傳播速度，V為流速，D為管道內(nèi)徑。驅(qū)動 信號驅(qū)動發(fā)射傳感器E發(fā)射超聲波信號，分別沿順流和逆流的方向傳播;兩個接收傳感器 Ra、Rb會先后接收到由發(fā)射傳感器E發(fā)射來的信號，通過比較兩路接收信號之間的相位差即 可得到兩個接收傳感器接收到超聲波信號時之間的時間差A(yù) t。
[0005] 然而，通常流體流速相對于超聲波的傳播速度來說很小，因此兩路超聲波接收信 號得到的相位差脈沖寬度即時間差A(yù) t較小，因而根據(jù)相位差脈沖轉(zhuǎn)換得到的電容充電量 較小，影響測量結(jié)果精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于累積相位差的超聲波流量 測量裝置，以提高流量測量的精度。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置，包括：
[0008] 位于測量管道的一側(cè)的發(fā)射傳感器以及位于測量管道的另一側(cè)，與發(fā)射傳感器相 對的上、下游接收傳感器，兩路接收傳感器(上、下游接收傳感器)與發(fā)射傳感器的安裝角度 均為Θ;
[0009] 其特征在于，所述發(fā)射傳感器采用連續(xù)的正弦波信號進行驅(qū)動，以產(chǎn)生連續(xù)的超 聲波信號，并同時向上、下游接收傳感器發(fā)射；
[0010] 所述的基于累積相位差的超聲波流量測量裝置還包括：
[0011] 由兩路選頻放大電路、兩路波形變換電路以及相位比較電路構(gòu)成超聲波信號接收 模塊，其中，上、下游接收傳感器接收到發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波信號后，各自送入一路選 頻放大電路，以濾除接收的超聲波信號中夾雜的高頻干擾成分，然后各自通過一路波形變 換電路，將它們變換為脈沖信號，以便于比較出它們之間的相位差信號，最后，相位比較電 路對兩路波形變換電路輸出脈沖信號的相位進行比較，得到相位差信號；
[0012] 脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路，其中，脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路用于相位差信號 的脈沖寬度轉(zhuǎn)換為電容(充電電容)的充電電壓，轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，斷開相位差信號，停止將 相位差信號作為開門信號，對脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2中的電容進行充電，同時，采樣保持電路 對電容的充電電壓進行采樣保持，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性；
[0013] 高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，用于將采樣電路保持的電容的充電電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的 充電電壓值；
[0014] 計數(shù)器，對相位差信號進行計數(shù)，當計數(shù)到N+1時，表示轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，輸出轉(zhuǎn)換完 成標志信號到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，斷開相位差信號；同時，轉(zhuǎn)換完成標志信號還輸入到時 序控制模塊；
[0015] 時序控制模塊，當轉(zhuǎn)換完成標志信號脈沖到來時，輸出A/D使能信號，啟動對高精 度的A/D轉(zhuǎn)換器對采樣電路保持的電容的充電電壓進行轉(zhuǎn)換，同時，延遲一定的時間即測量 時間后，輸出放電脈沖到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，對電容進行放電，再延遲一定的時間即放電 時間后，輸出復(fù)位信號給計數(shù)器以及脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，使計數(shù)器復(fù)位，重新計數(shù)，使脈 寬/電壓轉(zhuǎn)換電路復(fù)位，重新進行相位差信號的脈沖寬度轉(zhuǎn)換為電容的充電電壓的累積充 電過程；
[0016] 流量計算模塊，根據(jù)充電電壓值，得到接收到的超聲波信號的時間差，然后，結(jié)合 管道參數(shù)，計算出流體流量。
[0017] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的。
[0018] 本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置，采用連續(xù)的正弦波信號對發(fā)射傳 感器進行驅(qū)動，兩路接收的超聲波信號分別進行選頻放大、波形變換后得到脈沖信號，然后 在波形變化電路轉(zhuǎn)換為相位差信號;在脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路對相位差信號進行脈寬/電壓轉(zhuǎn) 換時，采用N次脈沖累積充電的方式對電容進行充電，從而增加了電容的充電量，使得測量 的分辨率提高，從而更加精確地測量出相位差信號的脈沖寬度即時間差A(yù)t，這樣提高了流 量測量的精度。
【附圖說明】
[0019] 圖1是超聲波時差法流量測量原理示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置接收的兩路接收的超聲波信 號之間的相位差示意圖；
[0021] 圖3是圖2所示的兩路接收的超聲波信號波形變化后，得到的脈沖信號波形圖；
[0022] 圖4是本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置一種【具體實施方式】原理框 圖；
[0023] 圖5是本發(fā)明中多次累積測量的波形示意圖；
[0024] 圖6是完整的測量周期中電容兩端電壓輸出示意圖；
[0025] 圖7是本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置另一種【具體實施方式】原理框 圖；
[0026] 圖8是圖4所示超聲波信號接收模塊的一種【具體實施方式】原理圖；
[0027] 圖9是圖4中接收傳感器接收到的超聲波信號的波形圖；
[0028] 圖10是圖8中接收傳感器接收到的超聲波信號經(jīng)過放大后的波形圖；
[0029] 圖11是圖8中接收傳感器接收到的超聲波信號經(jīng)過二次放大后的波形圖；
[0030] 圖12是圖8所示波形變換電路將超聲波信號變換輸出的脈沖信號波形圖；
[0031] 圖13是圖4所示相位比較電路的一種【具體實施方式】原理圖；
[0032]圖14是圖4所示波形變換電路輸出的兩路脈沖信號波形圖；
[0033] 圖15是圖13所示相位比較電路對兩路脈沖信號進行微分處理后的波形圖；
[0034] 圖16是圖13所示相位比較電路對兩路脈沖信號進行處理后的波形圖；
[0035] 圖17是圖4所示的脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路一種【具體實施方式】原理圖；
[0036]圖18是圖4所示的脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路的充電電壓變化波形圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設(shè)計的詳細描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。
[0038] 1、脈寬/電壓累計轉(zhuǎn)換測量
[0039]在本發(fā)明中，采用連續(xù)的正弦波信號對發(fā)射傳感器E(超聲波傳感器)進行驅(qū)動，兩 路接收超聲波傳感器即上、下游接收傳感器Ra、Rb接收到的信號同樣是一個連續(xù)的正弦波信 號。由于超聲波在管道中的傳播時延以及流體流速帶來的影響，其相位同超聲波發(fā)射傳感 器E發(fā)射的正弦波信號相位有差異，兩路接收的超聲波信號之間的相位差中則包含了管道 中流體的流速信息。圖2中t A為超聲波信號到達位于發(fā)射傳感器E上游的接收傳感器Ra所耗 傳播時間，tB為超聲波信號到達位于發(fā)射傳感器E上游的接收傳感器Rb所耗傳播時間，△ t為 兩路接收傳感器Ra、Rb接收到超聲波信號的時間差?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常的做法是分別測得tA 和tB進而計算得到管道中流體流速，進一步得到流量。本發(fā)明采用發(fā)射傳感器E采用連續(xù)的 正弦波信號進行驅(qū)動，并通過直接測量兩路接收超聲波信號之間的相位差Δ爐（即A t)來測 量得到流體流速，以測量流體流量。
[0040] 當逆流傳播時，即發(fā)射傳感器E發(fā)射，上游接收傳感器Ra接收時，超聲波沿A路即上 游接收傳感器方向的速度為：
[0041] Va=Co-VcosB (1)
[0042]當順流傳播時，即發(fā)射傳感器E發(fā)射，下接收傳感器Rb接收時，超聲波沿B路即下游 接收傳感器方向的速度為：
[0043] Vb = Co+Vcos9 (2)
[0044] 由式(1)和(2)可得逆流傳播時間tA和順流傳播時間tB為：
[0045] (3)
[0047] 由式(3)和(4)可得超聲波沿逆流和順流方向傳播的時間差：[0048] At = ?Α-?Β (5)[0049] 聯(lián)立式(3)、（4)和(5)，得到一元二次方程：[0050]
(6)[0051] 解得：
[0046] (4)
[0054] 其中V9-宙為傷，予以剔除"01丨流體中沿軺聲波傳播路徑的平均流速：[0055]
(9)
[0052] (7)
[0053] (8)
[0056]圖2中的兩路接收的超聲波信號，經(jīng)過選頻放大電路處理，再經(jīng)過波形變換電路轉(zhuǎn) 換，變?yōu)槊}沖信號Pa和Pb如圖3中所示。將這兩個脈沖信號Pa、Pb作為相位比較電路的輸入 端，可以得到圖3中所示的脈沖信號CH即相位差信號，其脈沖寬度即為兩路接收傳感器Ra、Rb 接收的超聲波信號的相位差Δ供（即時間差Δ t)。
[0057] 圖4是本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置一種【具體實施方式】原理框 圖·
[0058] 在本實施例中，如圖4所示，本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置包括發(fā) 射傳感器E、上游接收傳感器Ra、上游接收傳感器Rb、由兩路選頻放大電路、兩路波形變換電 路以及相位比較電路構(gòu)成超聲波信號接收模塊1、脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2、采樣保持電路3、高 精度的A/D轉(zhuǎn)換器4、計數(shù)器5、時序控制模塊6、流量計算模塊7。
[0059] 如圖4所示，兩路接收傳感器Ra、Rb接收發(fā)射傳感器E發(fā)射的超聲波信號后，分別送 入各自的一路選頻放大電路，以濾除接收的超聲波信號中夾雜的高頻干擾成分，然后各自 通過一路波形變換電路將它們變換為脈沖信號，以便于比較出它們之間的相位差信號。將 相位比較電路比較出的相位差信號送入脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2,從而將相位差信號的脈沖寬 度轉(zhuǎn)換為電容的充電電壓，轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，斷開電容的充電端，采樣保持電路3對電容的 充電電壓進行采樣保持，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性。最后，采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器4將充電 電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的充電電壓值，并送入流量計算模塊7中，根據(jù)充電電壓值，得到鏈路 接收到的超聲波信號的時間差，然后，結(jié)合管道參數(shù)，計算出流體流量。
[0060] 通常流體流速相對于超聲波的傳播速度來說很小，因此根據(jù)兩路接收到的超聲波 信號得到的相位差信號的脈沖寬度較小，因而單個相位差脈沖轉(zhuǎn)換得到的電容充電量較 小，影響測量結(jié)果精度。因而，在本發(fā)明中，考慮將該相位差信號的脈沖寬度累積轉(zhuǎn)換為電 容的充電量，再通過A/D轉(zhuǎn)換器7采樣得到充電后的充電電壓值，從而更加精確地測量相位 差信號的脈沖寬度。
[0061] 在本發(fā)明中，如圖4所示，發(fā)射傳感器E發(fā)射的超聲波信號是連續(xù)的正弦波信號。在 每一個完整的周期中，都可以得到一次包含流體流速特征信息的相位差。另外，這個相位差 被轉(zhuǎn)換為脈沖信號后，作為開門信號控制脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2中的電容的充電動作，從而 將連續(xù)的脈沖信號累積轉(zhuǎn)換為電壓值。在這種測量方案下，使得重復(fù)累積測量變得容易且 快捷。
[0062] 在本發(fā)明中，為了實現(xiàn)累積測量，如圖4所示，還增加有計數(shù)器5、時序控制模塊6。
[0063] 計數(shù)器5對相位差信號進行計數(shù)，當計數(shù)到N+1時，表示轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，即相位差信 號中有N個脈沖轉(zhuǎn)換為電壓，輸出轉(zhuǎn)換完成標志信號到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2,斷開相位差信 號；同時，轉(zhuǎn)換完成標志信號還輸入到時序控制模塊6;
[0064] 當轉(zhuǎn)換完成標志信號脈沖到來時，時序控制模塊6輸出A/D使能信號，啟動對高精 度的A/D轉(zhuǎn)換器對采樣電路保持的電容的充電電壓進行轉(zhuǎn)換，同時，延遲一定的時間即測量 時間后，輸出放電脈沖到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2，對電容進行放電，再延遲一定的時間即放電 時間后，輸出復(fù)位信號給計數(shù)器以及脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，使計數(shù)器復(fù)位，重新計數(shù)，使脈 寬/電壓轉(zhuǎn)換電路復(fù)位2,重新進行相位差信號的脈沖寬度轉(zhuǎn)換為電容的充電電壓的累計充 電過程；
[0065] 如圖5所示，在脈沖信號即相位差信號CH的Tl時段中，相位差信號CH的高電平部分 作為開門信號，控制對電容進行充電，累積充電次數(shù)預(yù)設(shè)為N次。在相位差信號CH的T2時段 中，對電容兩端電壓進行采樣保持，并對電容的電壓值A(chǔ)/D采樣，從而測量得到相位差信號 CH脈沖寬度△ t，即兩路接收傳感器接收的超聲波信號的相位差。A/D采樣過程完成后，即對 電容進行放電，等待進行下一次轉(zhuǎn)換測量過程。
[0066] 將相位差信號CH作為控制電容充電的信號，對電容進行充電N個△ t后，相當于N次 測量得到時間間隔A t之和的充電時間。
[0067] 考慮電容充電電流為Ic，則此時電容兩端電壓為：
[0068] (10)
[0069]
[0070] ( 1 1 )
[0071] 得到時間差A(yù)t后再根據(jù)測量原理中推導(dǎo)出的公式即可計算出管道中流體的流 速。將小數(shù)據(jù)的測量轉(zhuǎn)換為對大數(shù)據(jù)的測量，復(fù)雜了測量過程，但降低了測量的難度并提高 了測量精度。
[0072] 2、脈寬/電壓累積轉(zhuǎn)換電路的自校準
[0073] 對脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2中的電容進行充電時，電容的充電量與充電電流、電路參 數(shù)、電容器容值和環(huán)境溫度等因素都相關(guān)。即在不同時刻，受電路、容值和環(huán)境溫度因素的 影響，相同的充電時間對電容充電的電量有一定差異，影響充電脈沖寬度測量結(jié)果的精度。 因此需要對這一誤差進行實時地自校準，使用標準的充電脈沖對這一差異進行實時校準。
[0074] 由于電容的充電量與充電時間呈線性關(guān)系，分別設(shè)置低校準點和高校準點來校準 測量值。校準過程是對脈寬/電壓轉(zhuǎn)換測量過程的模擬，其區(qū)別在于用于控制電容充電的脈 沖信號為標準參考脈沖。
[0075] 考慮低校準脈沖寬度為Δ TL，則N次Δ Tl充電后電容兩端電壓為：
[0076]
C 12)
[0077] 考虎高校準脈沖寬度為Δ TH，則N次Δ Th充電后電容兩端電壓為：
[0078]
(13)
[0079] 5#立式（11 )、式（1 2)和式（Π )，可柃準得到相位差信號的脈沖寬度：
[0080]
(14)
[0081 ] 從14)叫以宥出，校準得到相位差信號的脈沖寬度At與充電電流Ic和電容容 值C都沒有關(guān)系。其中，Δ Tl和Δ Th為已知量，U、UL和Uh都通過A/D采樣轉(zhuǎn)換得到，完全消除了 由與充電電流Ic和電容容值C等電路參數(shù)的改變帶來的影響，從而提高了相位差信號脈沖 寬度的測量精度。將式(14)帶入式(9)即可求得管道內(nèi)流體沿傳播路徑的平均流速。
[0082] 為了對脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路進行校準，需要在測量過程中實時地進行高、低校準過 程，用以保證相位差信號脈沖寬度測量的精確性。因此在每一個完整的測量周期中分別進 行一次低校準和一次高校準過程，即一個完整的測量周期分別進行脈寬測量、低校準、脈寬 測量、高校準四次脈寬/電壓轉(zhuǎn)換測量過程，如圖6所示，并給出了電容輸出電壓在各個測量 狀態(tài)中的電壓狀態(tài)示意圖。
[0083] 圖7是本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置另一種【具體實施方式】原理框 圖。
[0084] 在本實施例中，如圖7所示，在圖4的基礎(chǔ)上，增加了校準脈沖產(chǎn)生電路8、多路選擇 開關(guān)9以及4分頻計數(shù)器10。
[0085] 其中，校準脈沖產(chǎn)生電路8用于產(chǎn)生頻率與相位差信號頻率相同、脈寬為△ IY的低 校準脈沖，以及頻率與相位差信號頻率相同、脈寬為A Th的高校準脈沖，其中，△ IY小于Δ Th，其值根據(jù)具體設(shè)計確定。在具體實施過程中，可以選擇ATl為正弦波信號周期的10%，Δ Th為正弦波信號周期的90 %;
[0086]其中，多路選擇開關(guān)9包括四個輸入端￥0、￥1、￥2、￥3、，以及一個輸出端。在本實施 例中，四個輸入端YO、Yl、Y2、Y3依次連接相位差信號、低校準脈沖、相位差信號、高校準脈 沖，輸出端接脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2的輸入。
[0087] 其中，4分頻計數(shù)器10,用于對輸出轉(zhuǎn)換完成標志信號進行分頻，其計數(shù)值作為測 量狀態(tài)信號輸出至流量計算模塊7,流量計算模塊7根據(jù)測量狀態(tài)信號確定目前所測試的信 號是相位差信號、低校準脈沖、高校準脈沖中的哪一個信號；同時，其計數(shù)值還作為多路選 擇開關(guān)9的選擇信號，用于選擇四個輸入端YO、YI、Υ2、Υ3中的一路輸出到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電 路2。在本實施例中，計數(shù)值為00時，選擇YO，計數(shù)值為01時，選擇Yl，計數(shù)值為10時，選擇Υ2， 計數(shù)值為11時，選擇Υ3。在具體實施過程中，計數(shù)值與輸入端的關(guān)系可以根據(jù)具體情況設(shè) 置。然后通過A/D轉(zhuǎn)換器測得的電容兩端電壓。
[0088] 首先校準脈沖產(chǎn)生電路8分別產(chǎn)生標準的高校準脈沖、低校準脈沖的標準校準脈 沖，然后與相位差信號，按照相位差信號、低校準脈沖、相位差信號、高校準脈沖輸入到多路 選擇開關(guān)9的四個輸入端，根據(jù)4分頻計數(shù)器10的計數(shù)值，每次輸出其中一個輸入端連接的 信號，同時，計數(shù)器5對多路選擇開關(guān)9的輸出信號進行計數(shù)，4分頻計數(shù)器10對計數(shù)器5進位 輸出的轉(zhuǎn)換完成標志信號再次進行4分頻計數(shù)，其計數(shù)值作為多路選擇開關(guān)9的選擇信號以 及測量狀態(tài)信號，測量狀態(tài)信號輸出至流量計算模塊7,確定目前所測試的信號是相位差信 號、低校準脈沖、高校準脈沖中的哪一個信號。因此，達到N次脈沖/電壓轉(zhuǎn)換后，多路選擇開 關(guān)9按照順序在四個輸入信號間切換，這樣按照相位差信號、低校準脈沖、相位差信號、高校 準脈沖，脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2對脈沖寬度進行轉(zhuǎn)換。最后流量計算模塊7、根據(jù)公式（14)計 算得到相位差信號的脈沖寬度即時間差A(yù)t，并結(jié)合管道參數(shù)，計算出流體流量。
[0089] 3、【具體實施方式】
[0090] 3.1)超聲波信號接收模塊
[0091] 超聲波信號在傳播過程中，由于發(fā)生反射、波形變換和衰減消耗了絕大部分能量， 接收傳感器接收到的超聲波信號十分微弱，通過在實驗中測出的數(shù)據(jù)一般在毫伏級別，這 對于信號的檢測顯得十分不利。超聲波信號接收模塊主要實現(xiàn)了對超聲波接收傳感器中的 接收到的信號進行選頻放大的功能。
[0092] 在本實施例中，如圖8所示，超聲波信號接收模塊第一級為變壓器耦合電路，其諧 振頻率為超聲波發(fā)射信號的頻率，能最大限度的削弱其他頻率的諧波對超聲波接收信號的 波形質(zhì)量的影響。經(jīng)過變壓器耦合電路后，超聲波接收信號的幅度依然十分微弱，但其頻率 成分較為純凈。超聲波信號接收模塊第二級(Al)為固定增益的運算放大電路，第三級(A2) 設(shè)置了增益可調(diào)的運算放大電路，用以將超聲波接收信號放大到合適的幅度，以便進行下 一步操作。由于本發(fā)明基于累積相位差的超聲波流量測量裝置中，主要關(guān)注超聲波發(fā)射信 號和接收信號之間的相位差，因此在超聲波信號接收模塊中將選頻放大后的超聲波接收信 號轉(zhuǎn)換為脈沖信號即可滿足要求。采用高速比較器過零比較的方法可以方便地將其轉(zhuǎn)換為 脈沖信號。圖9至圖12給出了實際測試過程中超聲波信號接收模塊中各點的信號波形圖。
[0093] 圖9是圖4中接收傳感器接收到的超聲波信號的波形圖，即圖8中超聲波信號接收 模塊中變壓器T2的輸入端信號（IN)。通過在示波器中觀察，盡管超聲波接收傳感器中接收 到的信號比較微弱，其峰峰值大約為90mV，但其接收到的波形質(zhì)量較好。其頻率仍為40KHz， 無頻率偏移發(fā)生，但有高頻的尖峰干擾，疑為電源引入或是外界干擾導(dǎo)致，需要在后續(xù)處理 中消除干擾信號，否則將影響流量計的測量結(jié)果。
[0094] 在接收傳感器中接收的超聲波信號比較微弱且伴有高頻噪聲干擾，不便于進行測 量。因此，需要對其信號進行放大和選頻處理。
[0095] 在本實施例中，如圖10所示，該信號為對接收傳感器接收的超聲波信號進行選頻 放大處理后的信號，即信號接收電路中集成運算放大器Al的6腳輸出波形。從示波器中可以 觀察到，經(jīng)過變壓器T2和集成運放Al的選頻放大后，得到的波形已經(jīng)比較干凈了，干擾頻率 成分較少，且其峰峰值已經(jīng)達到了 IV。由于在后續(xù)的測量處理中，我們重點關(guān)注的是接收信 號的相位變化情況。因此對于此時的接收信號，其頻率純凈度和波形質(zhì)量已經(jīng)符合系統(tǒng)的 設(shè)計要求，可以對其進行下一步的放大處理了。
[0096] 在超聲波流量測量方案中，需要將接收傳感器接收到的正弦信號，轉(zhuǎn)換為同相位 的脈沖信號，以便于比較兩路超聲波接收信號之間的相位差異。但在上面得到的信號幅值 較低，不利于進行波形變化，因此有必要對該信號進行二次放大。
[0097]在本實施例中，如圖11所示，該信號為對接收信號二次放大后的信號觀察，即信號 接收電路中集成運算放大器A2的6腳輸出波形。從示波器中可以觀察到，該信號已經(jīng)失真， 由于放大倍數(shù)過大，其信號的波峰和波谷被削去，不再是完整的正弦信號。但是，這卻對我 們的測試過程有利。在測試過程中，采用了過零比較的方法，將正弦波轉(zhuǎn)換為脈沖信號。我 們重點關(guān)注的是正弦信號的相位，而不是波形本身。信號在零點附近的上升或是下降速度 愈快，轉(zhuǎn)換為脈沖信號后帶來的相位損失就愈小。
[0098]上面得到的信號已經(jīng)可以進行波形變換了，使用過零比較器將其轉(zhuǎn)換為脈沖信 號。
[0099]如圖14中所示，該信號為與接收信號同頻率同相位的脈沖信號，即信號接收電路 中高速比較器MAX902(A2)的Out輸出波形。
[0100] 3.2)相位比較電路
[0101] 在超聲波信號接收模塊中，接收到的超聲波信號被轉(zhuǎn)換成了同相位的脈沖信號， 接下來就可以對其進行數(shù)字處理，比較出它們之間的相位差異。如圖13所示，超聲波信號接 收模塊接收到的超聲波信號經(jīng)過處理后脈沖信號，通過圖中INl和IN2通道輸入到相位比較 電路中。脈沖信號輸入后，先經(jīng)過由電容C22(C28)和電阻RlO(RH)組成的微分器，再經(jīng)過由 電阻R8 (Rl 3)和Rl I (Rl 5)組成的偏置電路，將微分過后的信號的參考電位偏置為+3.3V。最 后將微分和偏置后的兩路信號輸入到有兩個與非門(N2和N3)組成的RS觸發(fā)器的R和S端，即 可在RS觸發(fā)器的輸出端Out 口得到一個脈沖信號，其脈沖寬度為兩路輸入信號的相位差。
[0102] 圖14至圖16給出了實際測試過程中相位比較電路中各點的信號波形圖。
[0103] 在本實施例中，如圖14所示，兩路信號為兩路接收超聲波信號經(jīng)過波形變換后的 脈沖信號，即相位比較電路的兩個輸入信號。從圖14,我們可以看出它們之間存在相位差 異，使用RS觸發(fā)器即可比較出它們之間的相位差異。若使用上述信號來比較相位差，會得到 重復(fù)的相位差信號（即單周期會比較出兩個相位差信號），且會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)（即RS觸發(fā)器的 輸出狀態(tài)不確定，這是由RS觸發(fā)器本身原理決定的）。因此，需要對圖14中的兩路信號進行 微分處理和電位偏置處理。
[0104] 在本實施例中，如圖15所示，該信號為相位比較電路中RS觸發(fā)器的R端和S端的輸 入信號。對兩路信號進行+3.3V偏置，并對其進行微分處理后，即可得信號輸出如示波器中 所示。將圖15中兩路信號送入RS觸發(fā)器，即可得輸出波形如圖16所示。
[0105] 圖16是相位比較電路的輸出信號即兩路接收信號之間的相位差信號。在本實施例 中，如圖16所示，該信號為圖15所示電路中RS觸發(fā)器的Out口的波形輸出，其低電平寬度即 為兩路超聲波接收信號之間的相位差。
[0106] 3.3)脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路
[0107]脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路主要將累積的相位差脈沖信號轉(zhuǎn)換為充電電容的充電量，把 累積的時間信號轉(zhuǎn)化為了便于測量的電參量。脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路主要由恒流源、由高速開 關(guān)三極管組成的開關(guān)電路、由場效應(yīng)晶體管組成的放電電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。
[0108]如圖17所示，恒流源電路為脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定不變的充電電流，以確保 充電過程與充電時間呈線性關(guān)系。三極管開關(guān)電路在充電脈沖即相位差信號、低校準脈沖、 高校準脈沖的作用下控制恒流源電路提供的充電電流向電容進行充電。場效應(yīng)管放電電路 在放電脈沖的作用下對充電電容進行放電，以便進行下一次脈沖/電壓轉(zhuǎn)換測量過程。采樣 保持電路對充電電容的充電電壓進行保持，確保在A/D轉(zhuǎn)換動作完成之前充電電壓保持不 變。A/D轉(zhuǎn)換電路在ADC使能脈沖的作用下進行A/D轉(zhuǎn)換并輸出電壓值的量化序列。在脈寬/ 電壓轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)器件選擇中，要求其開關(guān)時間應(yīng)控制在ns級，以盡量減小開關(guān)器件帶 來的系統(tǒng)誤差，放電電路和采樣保持電路都要求其漏電電流小以減小由電路原因帶來的誤 差。
[0109] 在測試過程中，設(shè)計邏輯使得其低校準脈沖寬度為lus，高校準脈沖寬度為20us， 兩路超聲波接收傳感器中接收信號之間相位差為4V5(即相位差信號脈沖寬度為8us)。圖 18給出了脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路的充電電壓變化情況。
[0110] 如圖18所示，示波器中截圖為充電電路輸出口（Out)的一個測量周期內(nèi)的電壓變 化情況(相位差信號脈沖寬度為8us)。可以看出，測量系統(tǒng)依次經(jīng)過測量、低校準、測量、高 校準四個過程。每個脈寬/電壓轉(zhuǎn)換過程中，充電電容端的電壓都呈線性上升趨勢。且在單 次轉(zhuǎn)換測量過程的末尾，都有一段電壓保持期（用于ADC采樣）。采樣保持期結(jié)束后，充電電 容迅速放電并開始下一次脈寬/電壓轉(zhuǎn)換過程。
[0111] 盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù) 人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【主權(quán)項】
1. 一種基于累積相位差的超聲波流量測量裝置，包括： 位于測量管道的一側(cè)的發(fā)射傳感器以及位于測量管道的另一側(cè)，與發(fā)射傳感器相對的 上、下游接收傳感器，兩路接收傳感器(上、下游接收傳感器)與發(fā)射傳感器的安裝角度均為 θ; 其特征在于，所述發(fā)射傳感器采用連續(xù)的正弦波信號進行驅(qū)動，以產(chǎn)生連續(xù)的超聲波 信號，并同時向上、下游接收傳感器發(fā)射； 所述的基于累積相位差的超聲波流量測量裝置還包括： 由兩路選頻放大電路、兩路波形變換電路以及相位比較電路構(gòu)成超聲波信號接收模 塊，其中，上、下游接收傳感器接收到發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波信號后，各自送入一路選頻 放大電路，以濾除接收的超聲波信號中夾雜的高頻干擾成分，然后各自通過一路波形變換 電路，將它們變換為脈沖信號，以便于比較出它們之間的相位差信號，最后，相位比較電路 對兩路波形變換電路輸出脈沖信號的相位進行比較，得到相位差信號； 脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路，其中，脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路用于相位差信號的脈 沖寬度轉(zhuǎn)換為電容(充電電容）的充電電壓，轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，斷開相位差信號，停止將相位 差信號作為開門信號，對脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路2中的電容進行充電，同時，采樣保持電路對電 容的充電電壓進行采樣保持，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性； 高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，用于將采樣電路保持的電容的充電電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的充電 電壓值； 計數(shù)器，對相位差信號進行計數(shù)，當計數(shù)到Ν+1時，表示轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，輸出轉(zhuǎn)換完成標 志信號到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，斷開相位差信號；同時，轉(zhuǎn)換完成標志信號還輸入到時序控 制豐吳塊； 時序控制模塊，當轉(zhuǎn)換完成標志信號脈沖到來時，輸出A/D使能信號，啟動對高精度的 A/D轉(zhuǎn)換器對采樣電路保持的電容的充電電壓進行轉(zhuǎn)換，同時，延遲一定的時間即測量時間 后，輸出放電脈沖到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，對電容進行放電，再延遲一定的時間即放電時間 后，輸出復(fù)位信號給計數(shù)器以及脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，使計數(shù)器復(fù)位，重新計數(shù)，使脈寬/電 壓轉(zhuǎn)換電路復(fù)位，重新進行相位差信號的脈沖寬度轉(zhuǎn)換為電容的充電電壓的累積充電過 程； 流量計算模塊，根據(jù)充電電壓值，得到接收到的超聲波信號的時間差，然后，結(jié)合管道 參數(shù)，計算出流體流量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量測量裝置，其特征在于，還包括校準脈沖產(chǎn)生電 路、多路選擇開關(guān)以及4分頻計數(shù)器； 其中，校準脈沖產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生頻率與相位差信號頻率相同、脈寬為A 的低校準脈 沖，以及頻率與相位差信號頻率相同、脈寬為A Th的高校準脈沖，其中，△ Tl小于△ Th，其值 根據(jù)具體設(shè)計確定； 其中，多路選擇開關(guān)包括四個輸入端以及一個輸出端，四個輸入端YO、Yl、Y2、Y3依次連 接相位差信號、低校準脈沖、相位差信號、高校準脈沖，輸出端接脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸 入； 其中，4分計數(shù)器用于對輸出轉(zhuǎn)換完成標志信號進行分頻，其計數(shù)值作為測量狀態(tài)信號 輸出至流量計算模塊，流量計算模塊根據(jù)測量狀態(tài)信號確定目前所測試的信號是相位差信 號、低校準脈沖、高校準脈沖中的哪一個信號；同時，其計數(shù)值還作為多路選擇開關(guān)的選擇 信號，用于選擇四個輸入端YO、YI、Y2、Y3中的一路輸出到脈寬/電壓轉(zhuǎn)換電路，計數(shù)值與輸 入端的關(guān)系可以根據(jù)具體情況設(shè)置，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器測得的電容兩端電壓； 相位差信號的脈沖寬度：其中，U為相位差信號輸入時測得的電容兩端電壓，Uh為高校準脈沖輸入時測得的電容 兩端電壓，隊為低校準脈沖輸入時測得的電容兩端電壓。
【文檔編號】G01F1/66GK105890685SQ201610494392
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】詹惠琴, 古軍, 劉祥, 徐靜, 閆冰程
【申請人】電子科技大學(xué)