一种中低压气体超声波流量测量电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于气体流量检测技术领域，涉及一种中低压气体超声波流量测量电 路。
【背景技术】
[0002] 自上世纪九十年代，超声波技术应用于气体流量的检测领域以来，经过二十多年 的发展，数字信号处理技术与传感器技术在实际应用中均有长足进步，目前，超声波技术已 广泛应用于液体和高压气体流量的测量。但超声波信号在中低压气体流量的测量中存在衰 减快、信号微弱等问题，需要较大放大倍数、通常需要较大的驱动电流。
【发明内容】
[0003] 本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种低功耗的中低压气体超声波流量测 量电路。
[0004] 本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
[0005] 本实用新型由第一超声换能器、第二超声换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、 前置放大器、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、稳压单元、超声波信号收发计时单元、单 片机单元组成。
[0006] 第一超声换能器、第二超声换能器对称安装于管道轴线平面的两侧，第一超声换 能器与第二超声换能器的轴心在同一条直线上，第一换能器安装在管道上游，第二换能器 安装在管道下游。第一换能器输入端与第一模拟开关的第一端连接，第二换能器输入端与 第二模拟开关的第一端连接；第一模拟开关的另一端与驱动单元的输出端连接；第二模拟 开关的另一端与前置放大器的输入端连接；前置放大器的输出端与带通滤波单元的输入端 连接；带通滤波单元的输出端与比较单元的输入端连接；比较单元的输出端与超声波收发 计时单元的stop脚连接；驱动单元的输入端与超声波收发计时单元的start脚、fire脚连 接；超声波发送计时单元的选通脚、时钟脚、数据输入脚、数据输出脚和32K时钟输入脚分 别与单片机单元的I/O 口连接；所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端分别与 单片机单元的I/O 口连接。
[0007] 所述第一模拟开关和第二模拟开关选型芯片MAX4622 ;所述前置放大器选型芯片 AD620、所述带通滤波单元选型芯片0PA836、所述比较单元选型芯片LMV761 ;所述稳压单元 选型TPS76930、所述驱动单元选型芯片LT3572 ;所述超声波信号收发计时单元选型芯片 TDC-GP21 ;所述单片机选型芯片MSP430F448。
[0008] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过测量超声波在气体中的顺逆流传播 时间差，计算出流经管道的气体流量，进而得到气体流速，TDC-GP21芯片的采用提高了气体 流量测量的精度，节省了装置成本。系统采用小信号激励超声换能器，通过微弱信号比较电 路准确获得超声波在气体中的顺逆流传播时间差，降低了系统测量的电压与电流，从而降 低功耗，采用电池供电，一节电池的使用寿命在3-5年。适用于中低压情况下的任意气体的 流量测量，测量过程中没有压损的存在，流量计使用寿命长。
【附图说明】
[0009] 图1是超声换能器的安装示意图；
[0010] 图2是控制系统原理框图；
[0011] 图3是以单片机为核心的控制系统具体电路实例图。
【具体实施方式】
[0012] 以下结合附图进一步说明本实用新型，本实用新型提出了一种针对中低压气体流 量测量的低功耗信号处理测量电路。
[0013] 其中的气体超声流量计在原理上采用时差法测量，这也是目前应用较为广泛的时 差式气体超声流量计。这种流量计的工作原理为：超声波在静止的流体中的流速为C，流体 的流速为V。,超声波在流体中的顺流时间为h，超声波在流体中的逆流时间为t 2，两个超声 波换能器间的直线距离为L，与管道夹角为Θ，那么超声波在流体中的顺流时间为
[0014]
⑴
[0015] 超声波在流体中的逆流时间为 「00161
(2)
[0017] 将公式⑴和公式⑵相减，得到
[0018] i
⑶
[0019] 将公式⑴和公式⑵相加，可以得到C
[0020]
(4)
[0021] 将⑷式带入到（3)式中，得到
[0022]
(5)
[0023] 本实用新型的气体超声测量方法具体是：测量超声波在气流中的顺流传播时间h 和逆流传播时间t2，按式（5)计算出流经管道的气体流速。式中L为两个换能器之间的距 离，Θ为换能器之间的连线与管道中轴线所形成的夹角， tl、t2为超声波在两个换能器之间 的传播时间。
[0024] 参照图1，将一对超声换能器对称安装于管道轴线平面的两侧，安装时应注意尽量 使两个换能器的轴心在同一条直线上，第一换能器安装在管道上游，第二换能器安装在管 道下游。
[0025] 参照图2,该中低压气体流量低功耗超声波测量装置包括第一超声换能器、第二超 声换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、前置放大器、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、 稳压单元、超声波信号收发计时单元、单片机单元。
[0026] 所述第一换能器输入端与第一模拟开关的第一端连接，所述第二换能器输入端与 第二模拟开关的第一端连接；所述第一模拟开关的另一端与驱动单元的输出脚连接，所述 第二模拟开关的另一端与前置放大单元的输入端连接；所述驱动单元的输入端与超声波收 发计时电路的START脚、FIRE脚连接；所述前置放大器的输出端与带通滤波单元的输入端 连接；所述带通滤波单元的输出端与比较单元的输入端连接；所述比较单元的输出端与超 声波收发计时单元的一端连接；所述超声波发送计时电路的选通脚、时钟脚、数据输入脚、 数据输出脚和32K时钟输入脚分别与单片机的I/O 口连接；所述第一模拟开关电路使能端、 弟^吴拟开关电路使能端分别与单片机的I/O 口连接；
[0027] 图3为中低压气体流量低功耗超声波测量装置的一种具体电路实例，模拟开关芯 片选型MAX4622 ;驱动单元