专利名称：用于检测流量计的仿真电路的制作方法
技术领域：
本发明有关流量计，尤其是一种用于检测流量计的仿真电路。
技术背景流量计被广泛地用于检测各种形状、大小的管道中液体或气体的流速。 时差法超声流量计所依据的原理是声波在流动的液体或气体中，沿逆流和顺 流方向所传播时间不同。由于所测液体或气体流速的存在，穿越相同的距离， 声波逆流传播时间要比顺流传播的时间长，其间的差就反映了所测液体或气 体的流速。为了确信流量计是否准确，流量计的检测和标定在工业应用中是非常重 要的。关于时差法超声流量计的检测，由于所测流速与逆流、顺流传播时间 密切相关，所以检测流量计对传播时间的灵敏度是流量计检测的一个重要指标。发明内容本发明的目的在于提供一种改进的用于检测流量计的仿真电路。 本发明提供一种仿真电路，用于检测流量计。该仿真电路包括与流量计电连接的接口电路、延时发生器、数/模转换器(DAC)、以及产生时钟信号 的振荡器。接口电路接收从流量计发出的脉沖驱动信号，在侦测到脉冲驱动 信号的上升沿或下降沿的同时产生触发信号，同时延时发生器开始预定的延 时，在该预定的延时结束时，所述振荡器向DAC发送时钟信号，DAC开始 将预选的数字信号波形转变为流量计可以识别的^^拟信号波形并传送回流量 计。
图1所示为时差法超声流量计测量一管道内液体或气体流速的原理图； 图2所示为本发明检测时差法超声流量计的一个实施例的系统架构图；图3所示为图2中所示的检测时差法超声流量计的仿真电路的原理图；图4为图3所示仿真电路的结构框图；图5为图4所示仿真电路中接口电路的示意图；图6为图4所示仿真电路中延时发生器的第一个实施例的示意图；图7为图6所示延时发生器的第一个实施例的电路图；图8A和图8B说明触发信号与延时发生器的时钟信号之间的不同步问题；图9所示为用延时发生器的第一个实施例检测流量计时，模拟一个延时 周期过程中的几个信号的波形；图10所示为一个基于延迟线的振荡器，其用于仿真电路中延时发生器的 第二个实施例。
具体实施方式
图1所示为用时差法超声流量计1测量管道100内流体流速的原理图。 流量计l包括上、下连接线10、 11，该上、下连接线IO、 ll分别连接设置于 管道100外侧的逆流和顺流换能器12、 13。流量计l间隔经由上、下连接线 10、 ll向逆流、顺流换能器12、 13发送脉沖驱动信号。逆流换能器12接收 到流量计1发送的脉冲驱动信号，将其转换为超声波；超声波在管道100内 沿流体流动的逆流方向传送到顺流换能器13，顺流换能器13再把接收到的 超声波转变为电信号，传送回流量计1，其间所经历的时间即为逆流传播时 间。超声波沿顺流方向传播的顺流传播时间，是用同样的方法但相反的路径 测量的。显然，逆流传播时间要长于顺流传播时间，而管道100内液体或气 体的流速就是根据所述逆流传播时间和顺流传播时间的差测量出来的。图2所示为本发明流量计1测量系统的基本架构图。该测量系统包括一 个与流量计l的上、下连接线IO、 11电连接的仿真电路2、以及一个与仿真 电路2电连接的计算设备3。仿真电路2接收到流量计1发出的脉沖驱动信 号，产生回馈信号发回给流量计1,从而模拟超声波在管道100中传播的情 形。更具体而言，仿真电路2捕获到流量计1通过上连接线IO发出的脉冲驱 动信号，产生一个触发信号并开始一个预定的逆流延时Tup,在逆流延时Tup 结束时，将一个预选的波形经由下连接线ll发送回流量计1,从而模拟一个 逆流传播时间。用同样的方法但是相反的传输路径可以模拟一个顺流传播时间。计算设备可以是一个手提电脑，用以预设并传送逆流、顺流延时Tup、 Tdn 到仿真电路2，同时存储一些供选择的预选波形。从而可以在任何一个逆流、 顺流延时Tup、 Tdn结束时选择一个波形以模拟声波在管道100中的逆流、顺 流传播时间和波形。图3所示为本发明仿真电路2—个实施方式的工作原理图。 一个预选的 数字信号波形被选择并下载到仿真电路2里，该数字信号波形可以通过一个 数/才莫转换器(DAC) 25转换成流量计1可以识别的模拟信号波形， 一个可以 为DAC25提供工作时钟的振荡器21;在振荡器21与DAC25之间有一个开 关，该开关可以是一个逻辑门，比如一个与门，是通过一个延时发生器22来 控制的。检测时，延时发生器22接收到一个触发信号，同时产生一个预定的 延时，比如一个逆流延时Tup，在逆流延时Tup结束的同时，延时发生器22 发出信号启动所述振荡器21与DAC 25之间的开关，则振荡器21开始向DAC 25传送工作时钟，而DAC 25则开始把所述选定的数字信号波形转变为模拟 信号波形，并传送回流量计1，从而模拟了一个逆流传播时间。顺流传播时 间可以用同样的方法^^拟。图4所示为本发明仿真电路2—个实施方式的方框图。其中，仿真电路 2包括一个与流量计1电气连接的接口电路20和一个与计算设备3电连接的 端口28。该接口电路20与上、下连接线10、 ll相连，接收并侦测到从流量 计l发出的脉沖驱动信号，同时产生一个触发信号。延时发生器22接收到接 口电路20发出的触发信号，并产生预定的逆流或顺流延时Tup、 Tdn;在Tup 或Tdn结束的同时，振荡器21与DAC25之间的开关闭合，从而振荡器21向 DAC 25传送时钟信号，DAC 25开始把从计算设备3下载并存储在记忆体29 中的预选数字信号波形转换为模拟信号波形。在用流量计1实际测量流速的 过程中，由于流体的动态变化，传送回流量计1波形的频率和/或幅值可能有 所不同。在本发明的一个实施方式中，计算设备3中保存的若干个预选的数 字信号波形有不同的频率和/或幅值。从而，可以通过选择不同的数字信号波 形，才莫拟实际测量过程中管道100内动态的流动情形。另外，在用流量计1 实际测量流速的过程中，流量计1接收到的波形与流量计1发出的波形比较， 可能在幅值上有衰减，为了模拟这种情况，本发明的一个实施方式中，通过 DAC 25转换的模拟信号波形在传送回流量计1之前，先经过一个可编程幅值 衰减器26。该可编程幅值衰减器26将DAC 25转变的模拟信号波形进行预定的幅值衰减，再传送给流量计l。当然，这种将DAC25转换的模拟信号波形 幅值进行预定衰减的功能也可以通过软件的方式来实现。仿真电路2还包括 有一个微处理器23 (MPU )，该MPU 23控制仿真电路2与计算设备3之间 的通信，并控制仿真电路2中其他元件的工作。仿真电路2又包括有可编程 逻辑门电路(FPGA) 24,作为仿真电路2内电路连接的高速接口。在一实施 方式中，振荡器21是一个振荡器模块，该振荡器模块21包括若干个振荡器， 不仅为DAC25提供工作时钟，同时还为延时发生器、MPU23、 FPGA24提 供时钟信号，这些时钟信号可以根据需要具有不同的频率。如图5所示，接口电路20包括一个与流量计1的上、下连接线10、 11 相连的连接器201。流量计l间隔经由上、下连接线10、 ll发送脉冲驱动信 号。在一个实施方式中，脉冲驱动信号的一个上升沿产生触发信号，该触发 信号是逆流或顺流延时Tup、 Tdn的计时起点；在其他的实施方式中，触发信 号也可以从脉冲驱动信号的一个下降沿产生。接口电路20包括一个接收连接 器201传送的脉冲驱动信号并产生触发信号的触发产生器202。在本发明的 一个实施方式中，该触发产生器202为一个比较器芯片，该比较器芯片202 设有脉冲驱动信号输入端、参考电压输入端、由MPU23控制的锁存输入端、 以及将触发信号输出给延时发生器22的输出端。所述锁存输入端有一个特 性，即当其输入为高时，该比较器芯片的输出维持高电压。所以触发产生器 202的工作原理为将其侦测到的脉冲驱动信号与参考电压比较， 一旦侦测 到驱动信号的一个下降沿或上升沿，即产生触发信号，同时锁存输入端变为 高，以使该触发信号维持在一个高电位，而不论接下来的脉冲驱动信号变低 或变高。在从DAC25转换的模拟信号输出完成后，MPU23发出指令使锁存 输入端输入变为低， 一直到下一次触发信号产生。当然，所述触发产生器202 可以有其他^[艮多不同的实现方式，比如用不同的比较器、开关，通过合理的 电路连接，来实现上述的在侦测到驱动信号上升沿或下降沿的同时产生触发 信号，并维持该触发信号在一个高电位。该接口电路20还包括一个路线选择 开关204，该路线选择开关204与DAC 25的输出相连，自动将DAC 25转换 完成的模拟信号波形按正确的通道发送回流量计1,当脉沖驱动信号是通过 上连接线IO发出的时，所述模拟信号波形沿下连接线11回馈给流量计1， 反之，则通过上连接线IO传送回流量计。MPU23通过FPGA24自动控制路 线选择开关204的工作。延时发生器22在接收到接口电路20所产生的触发信号的同时，产生可 编程的、精确的延时Tup、 Tdn。为了保证高分辨率的同时可以产生一个相对 较长的延时，作为本发明的一个实施方式，每一个延时Tup、 T加可分为长延 时Tc和短延时Td两部分，图6和图7所示为实现所述长、短延时Tc、 Td两 部分的延时发生器22的一个实施方式。如图7所示，触发信号和振荡器21 所发出的时钟信号分别连接一个与门228的两个输入端，从而，当触发信号 产生时，振荡器21开始为一个计数器220输送工作时钟，计数器220开始计 数，以产生一个长延时Tc。显然该长延时Te是振荡器21所输出工作时钟周 期的整数倍。在该长延时Te结束时，振荡器21所产生的工作时钟被传送给 一个高精度延时器221以产生一个短延时Td。在该短延时Td结束时，振荡器 21的工作时钟被输送给DAC 25。在一个实施方式中，三个8位计数器集成 在一起形成一个24位计数器220，从而可以产生一个相对较长的延时范围， 比如10纳秒至160毫秒。在该三个8位计数器中，最高位的计数器控制流向 高精度延时器221的路径。在本发明的一个实施方式中，高精度延时器221是一个可编程延迟线， 其可以产生高精度的短延时Td,比如其分辨率可以达到IO皮秒。图8A和8B所示为触发信号与计数器220时钟信号之间可能出现的不同 步问题。如图8A所示，如果触发信号，也就是驱动信号的第一个有效上升 沿或下降沿，与计数器220时钟信号一个周期的开始重合，那么，计数器220 所计算出的是准确的时间，其为计数器220时钟信号周期的整数倍。但是， 如图8B所示，如果触发信号出现在计数器220时钟信号某个周期的中间位置， 而计数器220仍计算出一个其周期整数倍的时间，则在计数器220所读数据 与实际延迟时间之间有一个误差Te，如果计数器220工作频率为100兆赫兹， 那么其间的误差Te在0至10纳秒之间。为了解决图8B中的不同步问题，图6和图7中所示的延时发生器22包 括一个误差侦测元件223，该误差侦测元件223检测出触发信号与计数器220 时钟信号之间的不同步问题，并该其间的误差报告给MPU23， MPU23计算 出一个补偿值并将该补偿值加到高精度延时器221。在本发明的一个实施方 式中，该误差侦测元件223是一个时间/数字转换器(TDC)，其基本的工作 原理是它可以检测出两个脉冲信号之间的时间差，TDC有一个与触发信号 相连的"开始，，输入端，以及一个与计数器220时钟信号相连的"结束"输入端，当TDC的"开始"、"结束"输入端不同步，即触发信号与计数器220 的时钟信号不同步时，TDC通知MPU23,以计算出一个补偿值。图9所示为模拟一个延时周期过程中的几个信号，以一个逆流延时Tup 为例。首先通过计算设备3预设一个逆流延时Tup并传送到仿真电路2的MPU 23,从计算设备3中选择一个数字信号波形并存储在仿真电路2的存储器29 中；流量计1经由上连接线10向接口电路20发送脉冲驱动信号，接口电路 20的触发发生器202捕捉到流量计1驱动信号第一个有效上升沿并产生触发 信号，且触发发生器202的锁存输入端变高以维持该触发信号；触发信号被 传送到延时发生器22，同时延时发生器22的计数器220开始一个长延时Tc, 与此同时，同步侦测元件23检测触发信号与计数器220的时钟信号相应周期 起始点之间的时间差，并将其传送到MPU23以计算一个补偿值Te，并传送 给高精度延时器221，高精度延时器221在计数器220所计的长延时Te结束 时，开始计一个短延时Td，从而一个逆流延时Tup就完成了。此时，DAC25 取得工作时钟信号并开始将选定的数字信号波形转变成模拟信号波形。当模 拟信号波形输出完成时，MPU23使触发发生器202的锁存输入端变低，则触 发信号停止，直到下一个计时周期开始。参照图10所示，作为本发明延时发生器22的另一个实施例，其中振荡 器21，是一个基于延迟线的振荡器，该基于延迟线的振荡器21，包括串联在一 起的与门224，、非门225，和延迟线226，。与门224，接收到从接口电路20发 出的触发信号，延迟线226，开始向计数器220和高精度延时器221发送工作 时钟信号。因为该基于延迟线的振荡器21，是从接收到触发信号才开始工作 的，所以在触发信号与延时发生器22的工作时钟之间不会有不同步的问题发 生。在以上的实施方式中，为延迟发生器22和DAC 25提供时钟信号的是同 一个振荡器21,其实质上是通过将振荡器21所发的时钟信号经过一段延时 (即所述逆流、顺流延时Tup、 Tdn)后传送给DAC 25的。当然，依据图3 所示的仿真电路2的工作原理，可以用不同的振荡器分别为延迟发生器22和 DAC 25提供时钟信号。虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以 理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的 意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
权利要求
1.一种用于测试流量计的仿真电路，包括与流量计电连接的接口电路，该接口电路接收从流量计发出的脉冲驱动信号，在侦测到该脉冲驱动信号的上升沿或下降沿的同时产生触发信号；发送时钟信号的振荡器；延时发生器，在触发信号产生时开始预定的延时；以及数/模转换器(DAC)，在延时器所产生的预定的延时结束时，所述振荡器向DAC发送时钟信号，DAC开始将预选的数字信号波形转变为流量计可以识别的模拟信号波形。
2. 根据权利要求1所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述延时 发生器包括计数器和精确计时器，振荡器在触发信号产生的同时为计时器提 供时钟信号，则计时器开始预设的长延时；在该长延时结束时，振荡器为精 确计时器提供时钟信号，则该精确计时器开始预设的短延时；在该短延时结 束时，振荡器向DAC提供时钟信号，从而DAC开始将预选的数字信号波形 转变为模拟信号波形。
3. 根据权利要求2所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述精确 计时器是可编程延迟线。
4. 根据权利要求1所述的用于测试流量计的仿真电路，其中该仿真电 路进一步包括误差侦测元件，该误差侦测元件侦测触发信号与延时发生器时 钟信号相应起始点之间的不同步，从而其间的误差可以被计算出来，以补偿 该误差。
5. 根据权利要求4所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述误差 侦测装置是可以侦测两个脉沖信号之间的时间/数字转换器，该时间/数字转换 器有连接触发信号的"开始"输入端和连接延时发生器时钟信号的"终止" 输入端。
6. 根据权利要求1所述的用于测试流量计的仿真电路，其中振荡器是 基于延迟线的振荡器，该基于延迟线的振荡器在接收到触发信号的同时产生 时钟信号，该时钟信号的频率是由延迟线的延迟时间确定的。
7. 根据权利要求6所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述基于 延迟线的振荡器包括与门、非门和延迟线，与门的一个输入端连接触发信号，非门的输入端连接与门的输入端，延迟线与非门的输出，而延迟线的输出端 返回与门的另 一个输入端。
8. 根据权利要求1所述的用于测试流量计的仿真电路，其中接口电路 包括触发发生器，该触发发生器在脉冲驱动信号上升沿或下降沿的同时产生 触发信号并维持该触发信号，直至模拟信号波形输出完毕。
9. 根据权利要求8所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述触发 发生器为比较器，该比较器包括一个与驱动信号电气连接的输入端和一个参 考电压输入端，通过将驱动信号与参考电压比较，捕捉到驱动信号的上升沿 或下降沿，同时产生触发信号并维持该触发信号直到模拟信号波形输出结束。
10. 根据权利要求1所述的用于测试流量计的仿真电路，其中所述接 口电路与流量计的上、下连接线电连接，该接口电路包括有路线选择开关， 所述模拟信号波形经由该路线选择开关，并由该路线选择开关自动选择上、 下连接线之一传送回流量计。
11. 才艮据权利要求1至10中任何一项所述的用于测试流量计的仿真电 路，其中该仿真电路进一步包括幅值衰减器，经DAC转换的模拟信号流经 该幅值衰减器，该模拟信号的幅值在经预定的衰减后再流向流量计。
12. 根据权利要求1至10中任何一项所述的用于测试流量计的仿真电 路，其中有若干个预选的数字信号波形，该若干个数字信号波形具有不同 的频率、幅值，通过不同的延时周期选择不同的数字信号波形来模拟流量计 测量过程中所测流体的动态变化。
全文摘要
本发明揭示一种用以检测流量计的仿真电路，该仿真电路包括与流量计电连接的接口电路、延时发生器、数/模转换器(DAC)、以及产生时钟信号的振荡器。接口电路接收从流量计发出的脉冲驱动信号，在侦测到脉冲驱动信号的上升沿或下降沿的同时产生触发信号，同时延时发生器开始预定的延时，在该预定的延时结束时，所述振荡器向DAC发送时钟信号，DAC开始将预选的数字信号波形转变为流量计可以识别的模拟信号波形并传送回流量计。
文档编号G01F25/00GK101334308SQ20071012636
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者华 周, 托马斯·J·巴特津格, 敖晓蕾, 杰弗里·狄尔登, 顾毅康, 黄宝明 申请人:通用电气公司