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超声波流量计信号驱动与高速切换电路研究
发布日期:2020/7/7 17:03:49
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ZUI为简单.使用也ZUI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。通过计算可
得V=c2(Tu-Td)/2X
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:
Q=πD2/4Vfdt
 
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600Vpp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20~30Vpp的5~10个脉冲信号,主要用于液体流速的测量。
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500Hz1MHz或2MHz。经过驱动电路处理后.将微控制器发出的3.3V或5V脉冲信号转换为15V的脉冲信号,并经B皿L电路驱动.形成30V的脉冲信号加到超声波换能器发射出去。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
时刻两个传感器的作用又进行调换。所以,需要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15V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,ZUI大峰值输出电流为1.5A。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4.5V到18V之间.输出延时小于40ns。
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30V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N4148二极管和两个2k欧姆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DC403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100~150ns关断时间只需60~-100ns导通电阻ZUI大3欧姆。在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候,通过 CHANL的选择,关断上游超声波块能器.导通下游超声波換能器到输出端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。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。

 
3.具体电路调试
为电路调试方便.首先固定 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30V峰峰值的10个方波脉冲信号。然后,测试接收端,直接測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F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5~500cm,与选用的超声波换能器有关。
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