传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号，该信号是非常微弱的 正弦波信号。后级的模拟处理电路将该正弦波信号放大、滤波、整形变换为方波信号，然后 采用高精度测量时间电路测量出发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之 间的时间差。
[0034] 如图3所示，本发明的超声波换能器包括超声波信号源和超声波传感器，其中，超 声波信号源包括高压脉冲发生电路11、升压电路12、隔离电路13,隔离电路输出端连接超 声波传感器探头14,超声波传感器探头连接差分放大电路15,输出正弦波信号。上述放大 电路6对该正弦波信号进一步放大，优选地，本发明的放大电路6为两级放大电路。
[0035] 优选地，上述差分放大电路15的放大倍数为500-1000倍，放大电路6中的两级放 大电路放大倍数各为10倍，因此，本发明的系统放大倍数为50000-100000倍。
[0036] 为了消除干扰信号进入模拟处理电路，通过上述滤波电路7对放大后的信号进行 带通滤波，消除低频和高频噪声。优选地，带通滤波器采用MX275设计，通过设置外部电阻 可W设置相应的中屯、频率，带通滤波器带宽，放大增益。本发明的超声波气体流量计设置系 统中屯、频率为lOOKHz，放大增益2倍。
[0037] 本发明的整形电路包括绝对值变换电路、峰值保持电路和回波积分比较器电路。
[0038] 其中，为了使得回波峰值波形更加精确平滑，将回波负半轴的信号经绝对值变换 电路进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率值的频率。进一步使用峰值保持电路变换后， 得到的波形将非常平滑，有利于后期的进一步处理。
[0039] 峰值保持电路是将波形的正峰值平滑的连结起来，得到一个峰值曲线，运个曲线 包含了回波信号的整体特性，为进行下一步的测量时间电路提供精确的波形，该波形越平 滑，测量时间的精度越高，是模拟处理电路捕捉超声波回波信号的关键。优选地，峰值保持 电路采用经典二极管峰值保持电路，采用高速检波二极管IN60,后面经过阻容低通滤波器 滤除高频噪声信号。
[0040] 回波积分比较器电路，将前端模拟处理电路处理后的回波包络送入积分电路，积 分电路将包络信号转换为方波信号。采用较小的积分电阻，将积分电容迅速充电，使得运放 输出迅速饱和，达到供电电源电压值。最后将包络信号转换为方波信号，该方波信号送入高 速比较器后得到更加睹峭的方波信号，送入测量时间电路。
[0041] 测量时间电路通过测量超声波发射和接收时间，就可W测量气体多个方向的流 速，对气体多个流速求算术平均值，即可测得气体流速。
[0042] 本发明基于时差法的高精度超声波气体流量计，采用超声波传播时间差原理来测 量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害，同时将超声波回波信号转换为方波，测量精 度较现有手段提高数倍。
[0043] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，设置成X型，其中，第一 超声波换能器和第二超声波换能器为一组，第三超声波换能器和第四超声波换能器为一 组； 第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器连接 到四选一电子开关的输入端，经过四选一电子开关选择，输出信号依次经过放大电路、滤波 电路、整形电路后变换为方波信号，测量时间电路测量所述超声波换能器发射高压脉冲信 号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间。2. 如权利要求1所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超 声波换能器为收发一体结构，包括超声波信号源和超声波传感器； 超声波信号源输出高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率， 依次发射5个高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波 信号后，将超声波信号转换为电信号。3. 如权利要求2所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述超 声波信号源包括高压脉冲发生电路、升压电路、隔离电路，隔离电路输出端连接所述超声波 传感器探头，超声波传感器探头连接差分放大电路，输出正弦波信号。4. 如权利要求1所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述放 大电路为两级放大电路。5. 如权利要求1所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述滤 波电路对放大电路放大后的信号进行带通滤波，消除低频和高频噪声。6. 如权利要求1所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述整 形电路包括绝对值变换电路、峰值保持电路和回波积分比较器电路。7. 如权利要求6所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，将回波 负半轴的信号经绝对值变换电路进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率值的频率。8. 如权利要求6所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述峰 值保持电路采用二极管峰值保持电路。9. 如权利要求8所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述峰 值保持电路采用高速检波二极管IN60,后面经过阻容低通滤波器滤除高频噪声信号。10. 如权利要求6所述的基于时差法的高精度超声波气体流量计，其特征在于，所述回 波积分比较器电路将前端模拟处理电路处理后的回波包络送入积分电路，积分电路将包络 信号转换为方波信号，该方波信号送入高速比较器后得到更加陡峭的方波信号，送入测量 时间电路。
【专利摘要】本发明提出了一种基于时差法的高精度超声波气体流量计，设置成X型，其中，第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，第三超声波换能器和第四超声波换能器为一组；第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器连接到四选一电子开关的输入端，经过四选一电子开关选择，输出信号依次经过放大电路、滤波电路、整形电路后变换为方波信号，测量时间电路测量所述超声波换能器发射高压脉冲信号的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间。本发明采用超声波传播时间差原理来测量，无接触式测量，对被测气体无阻力，无损害，同时将超声波回波信号转换为方波，测量精度较现有手段提高数倍。
【IPC分类】G01F1/66
【公开号】CN105115553
【申请号】CN201510640267
【发明人】蔡延财, 陈永冰, 刘勇, 田军, 魏伟, 韩霜
【申请人】中国人民解放军海军工程大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年9月30日