[发明专利]低功耗高精度超声波流量测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于流体检测技术领域，涉及一种低功耗高精度超声波流量测量方法及装置。

背景技术

自从1928年德国人研制出了第一台超声波流量计以来，超声波流量计的研制技术得到了不断的改善。早期的超声波流量计有精度低、响应慢、稳定性和可靠性差等致命弱点。但近20年来，由于高速数字信号处理技术与微处理技术的飞速发展以及传感技术的进步，超声波流量计不仅克服了以往的不足，而且以其高精度、高抗干扰性、非接触测量不改变流体流场、易操作、低成本等优点，得到了越来越多的业内人士的青睐。超声波流量测量技术的发展前景不可限量。

根据工作原理的不同，超声波流量计可分为多普勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。由于多普勒式超声波流量计只能测量含有适量能够反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，其适用性受到了限制。目前应用最广泛的是时差式超声波流量计，其工作原理为：超声波在静止的流体中的流速为C，流体的流速为V₀，那么超声波在流体中的顺流速度为V₁=C+ V₀ Cosθ，逆流速度为V₂=C- V₀ Cosθ，两个换能器间的距离为L，则顺流时间t₁=L/ V₁,逆流时间t₂=L/ V₂,又C>> V₀,可得时差ΔT= t₂ -t₁=2LV₀ Cosθ/ C²，所以通过测量时差ΔT就能通过上式得到流体的流速V₀。

但是超声波声速在流体中受温度的影响很大，在流体的流速测量中需要对测量结果进行温度补偿，而传统的温度补偿方法误差较大和重复性低的缺点，而且采用较高电压驱动传感器，导致装置的功耗增大，很难满足现场的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗高精度超声波流量测量的方法及装置，以提高测量精度，降低装置的功耗。

本发明的流量测量方法具体是：测量超声波在流体中的顺流传播时间t₁、逆流传播时间t₂和电子线路延时时间t_r，按式(1)计算出管道内流体的流量Q。

        （1）

式中D为管道的直径，θ为换能器之间的连线与管道中轴线所形成的锐角。

实现上述测量方法的装置包括第一换能器、第二换能器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一信号调理电路、第二信号调理电路、超声波发送计时电路和单片机。

第一换能器输入端与分别与第一模拟开关的一端、第二模拟开关的一端连接；第二换能器输入端与分别与第一模拟开关的一端、第三模拟开关的一端连接；

第二模拟开关的另一端、第三模拟开关的另一端、第一信号调理电路输入端和第二信号调理电路输入端均与超声波发送计时电路的脉冲发射脚连接；

第一信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时开始脚连接，第二信号调理电路输出端与超声波发送计时电路的计时结束脚连接；

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；

所述的第一模拟开关使能端、第二模拟开关使能端、第三模拟开关使能端分别与单片机的I/O口连接；

所述的模拟开关型号为74CBT1G125，所述的第一信号调理电路选用74HC14芯片，所述的超声波发送计时电路选用GP2芯片，所述的单片机型号为MSP420F437

所述的第二信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、芯片TVL3501和芯片TVL2211；电容C1的一端作为第二信号调理电路输入端，电容C1的另一端接芯片TVL3501的3脚，第一电阻R1一端接3V电源，第二电阻R2一端接地；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接芯片TVL3501的1脚，芯片TVL3501的5脚接芯片TVL2211的1脚，芯片TVL2211的3脚接1V电源，芯片TVL2211的4脚作为第二信号调理电路输出端。