一种频差式超声波流量测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及计量领域，具体是一种频差式超声波流量测量装置。
【背景技术】
[0002] 超声波测量流量有多种方法，如时差法，频差法，相差法等。目前，在国内外的超声 波热量表中大都是采用时差法。时差法是通过测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间 差，从而获得被测流体流速。然而，在小口径流量测量中，由于超声波传播距离较短，因而在 测量低流速时所能获得的At很小，大约只有几 ns，这就要求计时电路必须具有ps级的时间 分辨力和相同时间的稳定度，否则难以保证在全量程范围内具有相同的测量精度。
[0003] 实际上，若想设计一个具有几十皮秒分辨率的标准时钟，这对于现代电子技术来 说几乎是不可能的。ACAM公司提供了另外一种办法，利用逻辑门的传输延时产生时基，并开 发出一种基于皮秒级时间间隔的TDC集成电路和时间测量解决方案。但是，通过对TDC芯片 的流速测量试验证明，在不同流速时，实际的时差测量值离散性很大，尤其是在低流速时几 乎无法分辨真值。
[0004] 最好的方法就是采用频差法，它可以从根本上克服为测量微小时间差所带来的多 种弊端。频差法是在时差法的基础上而改进的一种先进方法，它是利用"鸣环"技术将超声 波在流体中的顺流或逆流传播时间转换为顺流或逆流传播频率进行测量，经计算求其频率 差，进而获得流体流速。目前，市面上的超声波流量计的工作原理都是基于时差法的，其在 全量程范围内的测量精度存在差异，而在国内外还没有发现应用频差法测量流量的实用装 置或相关的计量产品，因此，开发一款频差式超声波流量测量装置来解决现有基于时差法 的测量装置存在的缺陷显得尤为重要。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术的不足，本发明提供一种频差式超声波流量测量装置，利用超声 波"鸣环"技术，在超声波传播路径上产生顺流和逆流鸣环频率(或称循环频率），通过求其 两者之间的频率差Af，从而获得被测流体流量。本发明装置结构合理，倍频器的设置显著 提高了在低流速时频率差Af的分辨率，在全量程范围内具有相同的测量精度，适用于大口 径和小口径流量的测量。
[0006] 本发明提供一种频差式超声波流量测量装置，包括超声波发射电路、换能器、接收 部分电路和单片机，所述超声波发射电路、换能器和接收部分电路依次连接构成闭合环路，
[0007] 所述超声波发射电路包括同步电路、与所述同步电路连接的超声波发射电路I和 超声波发射电路Π ;所述接收部分电路包括依次连接的模拟接收开关、调理电路和回波调 制器，所述模拟接收开关与换能器连接，所述回波调制器与所述同步电路连接；
[0008] 所述同步电路、超声波发射电路I、换能器、模拟接收开关、调理电路和回波调制器 构成顺流循环频率测量电路;所述同步电路、超声波发射电路Π 、换能器、模拟接收开关、调 理电路和回波调制器构成逆流循环频率测量电路；
[0009] 所述单片机与所述超声波发射电路I、超声波发射电路Π 、模拟接收开关连接，向 所述超声波发射电路I、超声波发射电路Π 、模拟接收开关发送控制信号，所述回波调制器 与单片机连接，向单片机发送顺流循环频率和逆流循环频率。
[0010] 优选地，所述装置还包括倍频器，所述回波调制器与倍频器连接，所述倍频器与所 述单片机连接。
[0011] 具体地，所述调理电路包括依次连接的接收放大器、带通滤波器和回波过零检测 器，所述接收放大器与所述模拟接收开关连接，所述回波过零检测器与所述回波调制器连 接。
[0012] 具体地，所述换能器包括换能器Τ1和换能器Τ2,所述换能器Τ1和换能器Τ2安装在 测量管同一侧并相距一定距离，所述超声波发射电路I与所述换能器Τ1连接，所述超声波发 射电路Π 与所述换能器Τ2连接，通过换能器Τ1的超声波经测量管的管壁一次反射后能够由 换能器Τ2接收，通过换能器Τ2的超声波经测量管的管壁一次反射后能够由换能器Τ1接收， 所述换能器Τ1和换能器Τ2分别与所述模拟接收开关连接。
[0013] 进一步地，通过换能器Τ1的超声波的传播方向与测量管中流体的流动方向呈45° 夹角，通过换能器Τ2的超声波的传播方向与测量管中流体的流动方向呈135°夹角。
[0014] 进一步地，所述单片机具有频率计数器和流量计算器，所述频率计数器用于对顺 流循环频率和逆流循环频率进行测量，所述流量计算器用于计算并输出被测流体的流量。
[0015] 由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果:本发明装置利用超声波"鸣环"技 术，在超声波传播路径上产生顺流和逆流鸣环频率(或称循环频率），通过求其两者之间的 频率差Af，从而获得被测流体流量。装置中倍频器的设置显著提高了在低流速时频率差Λ f的分辨率，在全量程范围内具有相同的测量精度，非常适用于小口径流量的测量，具有测 量精度可靠、操作便捷的优点。
【附图说明】
[0016] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对 于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其 它附图。
[0017] 图1是本发明装置的电路原理框图。
[0018] 图中：1-单片机，2-同步电路，3-超声波发射电路1，4_超声波发射电路Π ，5_换能 器I，6-换能器Π ，7-测量管，8-模拟接收开关，9-接收放大器，10-带通滤波器，11-回波过零 检测器，12-回波调制器，13-倍频器，14-声路。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 实施例一
[0021] 参见图1，本发明一种频差式超声波流量测量装置，包括超声波发射电路、换能器、 接收部分电路、倍频器13和单片机1，所述超声波发射电路、换能器和接收部分电路依次连 接，超声波发射电路、换能器和接收部分电路与声路14构成闭合环路；
[0022] 其中，所述超声波发射电路包括同步电路2、与所述同步电路2连接的超声波发射 电路13和超声波发射电路Π 4;所述换能器包括换能器T15和换能器T26，所述接收部分电路 包括依次连接的模拟接收开关8、调理电路和回波调制器12,所述模拟接收开关8与换能器8 连接，所述回波调制器12与所述同步电路2连接；
[0023]所述同步电路2、超声波发射电路13、换能器T15、换能器T26、模拟接收开关8、调理 电路和回波调制器12构成顺流循环频率测量电路;所述同步电路2、超声波发射电路Π 4、换 能器T26、换能器T15、模拟接收开关8、调理电路和回波调制器12构成逆流循环频率测量电 路；
[0024]所述单片机1与所述超声波发射电路13、超声波发射电路Π 4、模拟接收开关8连 接，向所述超声波发射电路13、超声波发射电路Π 4、模拟接收开关8发送控制信号;所述回 波调制器12与单片机1连接，向单片机1发送顺流循环频率和逆流循环频率;所述倍频器13 分别与回波调制器12和单片机1连接。
[0025]所述调理电路包括依次连接的接收放大器9、带通滤波器10和回波过零检测器11， 所述接收放大器9与所述模拟接收开关8连接，所述回波过零检测器11与所述回波调制器12 连接。
[0026]所述换能器T1 5和换能器T2 6安装在测量管7同一侧并相距一定距离，所述超声 波发射电路13与所述换能器T1 5连接，所述超声波发射电路Π 4与所述换能器T2 6连接，通 过换能器T1 5的超声波经测量管7的管壁一次反射后能够由换能器T2 6接收，通过换能器 T2 6的超声波经测量管7的管壁一次反射后能够由换能器T1 5接收，所述换能器T1 5和换 能器T2 6分别与所述模拟接收开关8连接。
[0027] 进一步地，通过换能器T15的超声波的传播方向与测量管7中流体的流动方向呈 45°夹角，通过换能器T26的超声