超声波流量计信号驱动与高速切换电路研究

赵永科, 李跃忠, 胡开明

(东华理工大学机械与电子工程学院,江西抚州 344000)

超声波流量计信号驱动与高速切换电路研究

赵永科, 李跃忠, 胡开明

(东华理工大学机械与电子工程学院,江西抚州 344000)

基于时差法的液体超声波流量计,采用双低边MOS场效应管驱动器M I C4427形成BTL驱动电路,将微控制器发出的脉冲信号提升峰峰值到 30 V,明显提高接收换能器的信号灵敏度和稳定度。由于超声波换能器为发送接收一体型传感器,采用高速模拟开关,让超声波换能器根据需要,在发送传感器和接收传感器之间不停切换,以满足信号测量要求。

时差法超声波流量计;双低边MOS场效应管驱动器;高速模拟切换开关

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。超声波用于测量流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等,其中时差法的电路最为简单,使用也最为广泛。

1 时差法超声波流量计的原理

时差法超声波流量计其工作原理如图 1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波,通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速,在通过流速来计算流量的一种间接测量方法 (孟华等,2007)。通过计算可得:

式中 c是超声波在非流动介质中的声速,V是流体介质的流动速度,X是两个换能器在管线方向上的间距(V远小于 c的情况下)。由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为:

2 超声波脉冲信号驱动及高速切换电路

超声波信号发射的驱动方式一般有两种:高压单脉冲信号,用升压变压器升压到小于 600 Vpp的单脉冲信号,主要用于气体流速的测量;低压多脉冲信号,用驱动电路将电压转换为 20～30 Vpp的 5～10个脉冲信号,主要用于液体流速的测量,笔者暂时只对后者进行研究。

一个典型的双声道超声波流量计信号处理电路如图 2所示。超声波换能器为收发一体型传感器,载波频率一般为 500 kHz,1 MHz或 2 MHz。经过驱动电路处理后,将微控制器发出的 3.3 V或 5 V脉冲信号转换为 15 V的脉冲信号,并经 BTL电路驱动,形成 30 V的脉冲信号加到超声波换能器发射出去(李跃忠等,2007)。经过流动的介质后,另一个超声波换能器接收到衰减后的超声波回馈信号,让后级电路进行后续的处理。这里由于采用的是一体型超声波换能器,所以两个传感器在某一时刻,一个是发射传感器,一个是接收传感器,另一时刻两个传感器的作用又进行调换。所以,需要一个高速低阻的四路模拟开关进行信号的转换。

2.1 信号驱动电路

为了实现微控制器的脉冲信号电平到 15 V电平输出的转换,采用麦瑞半导体公司 MIC4427芯片,这是一款双低边MOS场效应管驱动器,最大峰值输出电流为 1.5 A。该芯片可以将 TTL或者CMOS电平信号转换为电源电压信号电平,电源电压可在 4.5 V到 18 V之间,输出延时小于 40 ns。

图 1 时差法超声波流量测量原理示意图Fig.1 Ti m e D ifference U ltrasonic Fl ow Measurement Principle D iagram

图2 超声波流量计信号处理电路框图Fig.2 U ltrasonic Flowmeter Signal Processing C ircuitD iagram

图3 超声波信号驱动电路Fig.3 U ltrasonic SignalD riven C ircuit

T1和 T2交替出现等幅等频脉冲信号高低电平,则可形成一个 BTL驱动电路,频率为 T1或 T2的一半,幅度为 30 V的峰峰值脉冲信号。因为超声波换能器是一个容性负载,为了提高波形质量,减小上升沿和下降沿的尖峰脉冲,加入了两个I N4148二极管和两个 2 kΩ的分流电阻进行匹配。

2.2 信号切换电路

为了实现信号的高速切换,采用美信半导体的DG403芯片,这是一款四路高速模拟切换开关,开关切换是,导通时间只需 100～150 ns,关断时间只需 60～100 ns,导通电阻最大 3Ω。在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候,通过 CHANL的选择,关断上游超声波换能器,导通下游超声波换能器到输出端D,并联一个电阻一个电容进行阻抗匹配之后,经电容去波形直流电压成分送中频放大器MC1350进行初级放大等后续处理,微控制器可测得从上游传感器发送脉冲到接收到放大后的信号的时间顺流传输 Td(肖海等,2009)。同理,下游超声波换能器发送脉冲,上游超声波换能器经CHANL选择信号后匹配电阻电容进行放大处理,可测得逆流传输时间 Tu。时间差△T=Tu– Td。根据公式即可计算得出介质的流速,并可转换为流量。

图4 超声波信号切换电路Fig.4 U ltrasonic Signal Sw itching C ircuits

3 具体电路调试

为电路调试方便,首选固定 CHANL,即只测某个方向的传输时间,能够测试稳定后再测另一个方向的传输时间。两个都可顺利测得后,再加入定时切换两者的发射与接收。

首先,发射 10个周期的脉冲,然后测试超声波换能器两端的电压信号。如果出现较大的杂波或尖峰,则需调整匹配电阻的参数,或者再并入一个小电容,直到出现规则的波形较好的 30 V峰峰值的 10个方波脉冲信号(李智录等,2006)。然后,测试接收端,直接测接收端或者并入电阻电容后,都无法看到规则的波形,要经过初级 IF放大芯片MC1350后,才可通过示波器,看到较为规则的接收信号,一般幅度较低,略有频偏。在发射脉冲信号一定时间后出现若干组回馈信号,其中只有一组是需要的信号,其他均为无用的干扰信号或反复折射后的信号。

4 结语

该电路已经通过仿真及电路实验,并已经应用于液体超声波流量计上,测量实验室用自来水管,可测得较为稳定的流量数据(未标定)。该超声波电路,理论上可测管径为 5～500 cm,与选用的超声波换能器有关。

国网电力科学研究院,南京南瑞集团公司.2009.一种提高时差式超声波流量计精度的方法.中国,G01F1/66(2006.01)I,CN200910181630.2.

李跃忠,李昌禧,华志斌.2007.基于神经网络的多声道超声气体流量计研究[J].仪器仪表学报,28(12);2280-2284.

李智录,杨震,张东升.2006.超声波流量计测流精度的实验研究[J].西安理工大学学报,22(1);69-72.

孟华,闫菲,李明伟.2007.新型时差法超声波流量计[J].仪表技术与传感器,8:18-20.

肖海,王亚非,高椿明.2009.基于 FPGA的时差法超声波流量计的设计[J].传感器与微系统,28(8):79-81.

Ultrasonic Flowmeter with SignalDriven and High-speed Switchi ng Crcuit Research

ZHAO Yong-Ke, L I Yue-Zhong, HU Kai-Ming
(East China Institute of TechnologyMechanical and Electronic Institute,Fuzhou,JX 344000,China)

Based on the method of ultrasonic liquid jet flow,low side MOS mosfet drive M IC4427 BTL circuit,for ming a pulse signal with micro-controller of ascension to 30V fengfeng value,improved the signal receiving transducer sensitivity and stability.Due to the ultrasonic transducer for sending,receiving a body sensor using high-speed analog s witches,ultrasonic transducer,according to the needs,in sending and receiving the sensors on sensor signal s witching,in order to satisfy requirement.

transit time ultrasonic flowmeter;low sideMOS mosfet drive;high-speed analog switch

TP216+.1

A

1674-3504(2011)02-198-03

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.02.018

2010-09-21

东华理工大学校级校长基金项目“超声波流量计中精确测时电路研究”(DHXK1039)

赵永科 (1981—),男,助理实验师,研究方向:智能测量仪器仪表。