一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路及方法与流程

1.本发明属于超声波流速测量领域，涉及一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路及方法。

背景技术：

2.超声波渡越时间tof是指超声波探头从发出超声波信号到接收超声波信号所用的时间，超声波流量测量原理如图1所示。
3.通过测量流体中顺流和逆流过程的超声波渡越时间tofs和tofn，可以计算管道内流体的速度及流量如下：
[0004][0005][0006]
式中：l是声道长度；v是流体速度；θ是声道与管道轴线之间的夹角，q是瞬时流量；d是管道内径。
[0007]
当采用小管径进行高流速测量时，顺流超声波渡越时间会变得非常小，当驱动电路的干扰不加以抑制的话，会有部分脉冲耦合到接收端，影响顺流超声波渡越时间测量。如图2所示。
[0008]
目前，暂未发现专门针对小管径测量盲区的文献期刊。针对渡越时间检测，国内外科研人员主要采用时差法进行超声波气体流量计设计，采取的方法主要有阈值法和互相关算法，互相关算法的测量精度高度依赖所选择的参考波形，但是参考波形的获取具有较高难度，所以更普遍的做法是采用阈值法结合过零检测进行渡越时间计算。渡越时间的测量精度直接影响超声波气体流量计的测量下限和测量精度，通过提高处理器或采集单元的工作频率可提高系统的时间测量分辨率，因此，一部分研究学者采用fpga结合高速adc进行波形采样、存储，进一步完成时间检测；一部分学者采用德国acam公司的专用时间数字转换芯片tdc-gp22实现，tdc-gp22具有皮秒级时间测量分辨率。本发明采用嵌入式mcu的高速时间捕获单元结合过零比较器进行时间检测，外围电路简单，成本低，可以获得数十纳秒级别的时间测量分辨率。

技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路及方法。
[0010]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0011]
一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路，该电路包括微控制单元mcu；
[0012]
所述mcu内置有定时器timer和模数转换电路adc；
[0013]
所述mcu依次与驱动电路一、超声波换能器一、限幅电路一、模拟开关一、模拟开关三、自动增益控制agc电路和adc电连接；
[0014]
所述自动增益控制agc电路依次与过零比较电路和timer电连接；
[0015]
所述mcu还依次与驱动电路二和超声波换能器二电连接；
[0016]
所述超声波换能器二依次与限幅电路二、模拟开关二和模拟开关三电连接；
[0017]
所述超声波换能器二与超声波换能器一相互发射和接收超声波信号；
[0018]
所述模拟开关一为单通道模拟开关一，所述模拟开关三为多通道模拟开关，所述模拟开关二为单通道模拟开关二。
[0019]
可选的，所述自动增益控制agc电路包括依次连接的同向比例放大电路、增益可调节电路和带通滤波电路。
[0020]
可选的，所述同向比例放大电路的放大能力为20db，所述增益可调节电路的放大能力为0～30db，所述带通滤波电路的放大能力为20db。
[0021]
可选的，所述增益可调节电路包括数字电位器和运算放大器；
[0022]
所述数字电位器和mcu之间采用spi协议通信连接；
[0023]
所述数字电位器调节范围为0～100kω。
[0024]
基于所述测量电路的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，该测量方法包括以下步骤：
[0025]
步骤1：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；
[0026]
步骤2：采用自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；
[0027]
步骤3：采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间。
[0028]
可选的，所述步骤1具体为：
[0029]
采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；
[0030]
驱动信号控制换能器一发出超声波，由二极管并联组成的限幅电路对换能器一的输出信号限幅至
±
700mv以内，防止电压过高损坏后级电路；
[0031]
微控制单元mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关一关断，控制多通道模拟开关的第一通道关断，使经过限幅电路一的信号实现两次隔离或两次衰减；与此对应，mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关二开启，控制多通道模拟开关的第二通道开启，使换能器二经过限幅电路二后的超声波接收信号导通，并输出至后级自动增益控制agc电路；经过模拟开关级联导通或关断，避免由超声波驱动电路带来的噪声干扰。
[0032]
可选的，所述步骤2具体为：
[0033]
自动增益控制agc电路由3个级联组成：
[0034]
第一级为同向比例放大电路，用于增大输入阻抗和减小输出阻抗，同时对超声波信号进行放大，放大能力为20db；
[0035]
第二级为基于数字电位器的增益可调节放大电路，对前级信号放大的同时进行低通滤波，抑制电路噪声，其放大能力为0～30db；
[0036]
第三级为二阶带通滤波电路，对前级信号进一步噪声抑制和放大处理，其放大能
力为20db；
[0037]
其中，增益可调节放大电路基于数字电位器和运算放大器构成，数字电位器和mcu之间通信采用spi协议；数字电位器选择0～100kω的调节范围，得到消除测量盲区的超声波接收信号。
[0038]
可选的，所述步骤3具体为：
[0039]
采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间，分为主路和辅路；
[0040]
主路与mcu内置的adc连接，通过mcu的dma功能进行连续采集，将超声波波形采集并存储进指定的ram空间待用；
[0041]
辅路与过零比较电路相连接，通过比较器将超声波信号的过零点信息转换为方波，将该方波与mcu的定时器输入捕获端口相连接，进行过零时刻检测。
[0042]
可选的，所述采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间具体为：
[0043]
①
启动dma控制器和adc采集超声波波形，并将波形存储进ram，与此同时，过零比较器产生过零比较脉冲，与mcu的定时器输入捕获端口连接；
[0044]
②
搜索波形上升沿过程的局部峰值p1～pn及对应时刻，分别记为vp(i)和tp(i)；其中，n为波形上升沿阶段的波峰个数；i为第几个波峰，取值为1～n；
[0045]
③
根据最大峰值幅度vp_max，设定动态阈值门限k，k＝a*vp_max，其中a为阈值系数；
[0046]
④
遍历搜索ram中的超声波波形，记录其与比较门限k首次相交的特征时间区间[tp(3),tp(4)]，记为[t_l，t_h]；
[0047]
⑤
以前一个周期的t_l时刻为基准，生成持续50us的高电平信号，作为定时器输入捕获使能信号，对过零检测脉冲进行下降沿时间测量，得到多个过零时间，记为t0[n]；
[0048]
⑥
搜索t0[n]中位于时间范围[t_l，t_h]的过零时刻，记为t0’，再减去固定时延τ得到准确的渡越时间tof，tof＝t0
’‑
τ。
[0049]
本发明的有益效果在于：本发明具有电路简单、信噪比高和测量无盲区的特点，适用于任何管径的超声波流量计。
[0050]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0052]
图1为超声波流量测量原理；
[0053]
图2为有发射干扰的接收信号；
[0054]
图3为测量系统架构；
[0055]
图4为模拟开关级联控制架构；
[0056]
图5为自动增益控制架构；
[0057]
图6为增益调节滤波放大电路；
[0058]
图7为无发射干扰的接收信号；
[0059]
图8为过零检测架构；
[0060]
图9为超声波采样波形。
具体实施方式
[0061]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0062]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0063]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0064]
一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，包含以下三个步骤：
[0065]
步骤1：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；
[0066]
步骤2：采用自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；
[0067]
步骤3：采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间。
[0068]
整个测量系统架构如图3所示。
[0069]
步骤1：
[0070]
采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离。以换能器一发射超声波，换能器二接收超声波为例，驱动信号控制换能器一发出超声波，由二极管并联组成的限幅电路对换能器一端的输出信号限幅至
±
700mv以内，防止电压过高损坏后级电路；mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关一关断，控制多通道模拟开关的第一通道关断，从而使经过限幅电路一的信号可以2次隔离或衰减；与此对应，mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关二开启，控制多通道模拟开关的第二通道开启，使换能器二端经过限幅电路后的超声波接收信号可以顺利导通并输出至后级自动增益控制(agc)电路。该过程经过模拟开关级联导通或关断，可以有效避免由超声波
驱动电路带来的噪声干扰。模拟开关级联控制架构如图4所示。
[0071]
步骤2：
[0072]
换能器接收端的超声波信号通常仅有几毫伏至几十毫伏并且伴随幅值抖动，需要进行放大处理和增益自动调节处理。自动增益控制agc电路由3个级联组成，第一级为同向比例放大电路，用于增大输入阻抗和减小输出阻抗，同时对超声波信号进行放大，放大能力为20db；第二级为基于数字电位器的增益可调节放大电路，对前级信号放大的同时进行低通滤波，抑制电路噪声，其放大能力为0～30db；第三级为二阶带通滤波电路，对前级信号进一步噪声抑制和放大处理，其放大能力为20db。整个自动增益控制agc电路如图5所示。
[0073]
其中，增益可调节放大电路基于数字电位器和运算放大器构成，数字电位器和mcu之间通信采用spi协议。考虑到具有更大的幅度调节能力，数字电位器应选择0～100kω的调节范围。该电路具有低通滤波功能，可以滤除电路的高频噪声信号。增益可调节滤波放大电路如图6所示。
[0074]
经过步骤1和步骤2可以得到消除测量盲区的超声波接收信号，如图7所示。
[0075]
步骤3：
[0076]
采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间。整个过程分主辅两路完成，主路直接与mcu内置的高精度adc相连接，通过mcu的dma功能进行连续采集，将超声波波形采集并存储进指定的ram空间待用；辅路与过零比较电路相连接，通过比较器将超声波信号的过零点信息转换为方波，将该方波与mcu的定时器输入捕获端口相连接，进行过零时刻检测。图8为过零检测架构原理图。
[0077]
图9为基于阈值法和过零检测的渡越时间测量示意图，整个过程的工作流程详细介绍如下：
[0078]
①
启动dma控制器和adc采集超声波波形，并将波形存储进ram，与此同时，过零比较器产生过零比较脉冲，与mcu的定时器输入捕获端口连接；
[0079]
②
搜索波形上升沿过程的局部峰值p1～pn及对应时刻，分别记为vp(i)和tp(i)；
[0080]
③
根据最大峰值幅度vp_max，设定动态阈值门限k，k＝a*vp_max，其中a为阈值系数；
[0081]
④
遍历搜索ram中的超声波波形，记录其与比较门限k首次相交的特征时间区间[tp(3),tp(4)]，记为[t_l，t_h]；
[0082]
⑤
以前一个周期的t_l时刻为基准，生成持续50us的高电平信号，作为定时器输入捕获使能信号，对过零检测脉冲进行下降沿时间测量，得到多个过零时间，记为t0[n]；
[0083]
⑥
搜索t0[n]中位于时间范围[t_l，t_h]的过零时刻，记为t0’，再减去固定时延τ可以得到准确的渡越时间tof，tof＝t0
’‑
τ。
[0084]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路，其特征在于：该电路包括微控制单元mcu；所述mcu内置有定时器timer和模数转换电路adc；所述mcu依次与驱动电路一、超声波换能器一、限幅电路一、模拟开关一、模拟开关三、自动增益控制agc电路和adc电连接；所述自动增益控制agc电路依次与过零比较电路和timer电连接；所述mcu还依次与驱动电路二和超声波换能器二电连接；所述超声波换能器二依次与限幅电路二、模拟开关二和模拟开关三电连接；所述超声波换能器二与超声波换能器一相互发射和接收超声波信号；所述模拟开关一为单通道模拟开关一，所述模拟开关三为多通道模拟开关，所述模拟开关二为单通道模拟开关二。2.根据权利要求1所述的一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路，其特征在于：所述自动增益控制agc电路包括依次连接的同向比例放大电路、增益可调节电路和带通滤波电路。3.根据权利要求2所述的一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路，其特征在于：所述同向比例放大电路的放大能力为20db，所述增益可调节电路的放大能力为0～30db，所述带通滤波电路的放大能力为20db。4.根据权利要求2所述的一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路，其特征在于：所述增益可调节电路包括数字电位器和运算放大器；所述数字电位器和mcu之间采用spi协议通信连接；所述数字电位器调节范围为0～100kω。5.基于权利要求1～4中任一项所述测量电路的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：步骤1：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；步骤2：采用自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；步骤3：采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间。6.根据权利要求5所述的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：所述步骤1具体为：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；驱动信号控制换能器一发出超声波，由二极管并联组成的限幅电路对换能器一的输出信号限幅至
±
700mv以内，防止电压过高损坏后级电路；微控制单元mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关一关断，控制多通道模拟开关的第一通道关断，使经过限幅电路一的信号实现两次隔离或两次衰减；与此对应，mcu的io端口产生电平信号控制单通道模拟开关二开启，控制多通道模拟开关的第二通道开启，使换能器二经过限幅电路二后的超声波接收信号导通，并输出至后级自动增益控制agc电路；经过模拟开关级联导通或关断，避免由超声波驱动电路带来的噪声干扰。
7.根据权利要求6所述的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：所述步骤2具体为：自动增益控制agc电路由3个级联组成：第一级为同向比例放大电路，用于增大输入阻抗和减小输出阻抗，同时对超声波信号进行放大，放大能力为20db；第二级为基于数字电位器的增益可调节放大电路，对前级信号放大的同时进行低通滤波，抑制电路噪声，其放大能力为0～30db；第三级为二阶带通滤波电路，对前级信号进一步噪声抑制和放大处理，其放大能力为20db；其中，增益可调节放大电路基于数字电位器和运算放大器构成，数字电位器和mcu之间通信采用spi协议；数字电位器选择0～100kω的调节范围，得到消除测量盲区的超声波接收信号。8.根据权利要求7所述的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：所述步骤3具体为：采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间，分为主路和辅路；主路与mcu内置的adc连接，通过mcu的dma功能进行连续采集，将超声波波形采集并存储进指定的ram空间待用；辅路与过零比较电路相连接，通过比较器将超声波信号的过零点信息转换为方波，将该方波与mcu的定时器输入捕获端口相连接，进行过零时刻检测。9.根据权利要求8所述的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：所述采用adc采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间具体为：
①
启动dma控制器和adc采集超声波波形，并将波形存储进ram，与此同时，过零比较器产生过零比较脉冲，与mcu的定时器输入捕获端口连接；
②
搜索波形上升沿过程的局部峰值p1～pn及对应时刻，分别记为vp(i)和tp(i)；其中，n为波形上升沿阶段的波峰个数；i为第几个波峰，取值为1～n；
③
根据最大峰值幅度vp_max，设定动态阈值门限k，k＝a*vp_max，其中a为阈值系数；
④
遍历搜索ram中的超声波波形，记录其与比较门限k首次相交的特征时间区间[tp(3),tp(4)]，记为[t_l，t_h]；
⑤
以前一个周期的t_l时刻为基准，生成持续50us的高电平信号，作为定时器输入捕获使能信号，对过零检测脉冲进行下降沿时间测量，得到多个过零时间，记为t0[n]；
⑥
搜索t0[n]中位于时间范围[t_l，t_h]的过零时刻，记为t0’，再减去固定时延τ得到准确的渡越时间tof，tof＝t0
’‑
τ。

技术总结

本发明涉及一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路及方法，属于超声波流速测量领域。首先通过采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离，使接收信号信噪比增强，可以消除单个模拟开关隔离效果差引起的短距离测量出现盲区现象；其次采用数字电位器和滤波放大器组成的自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；最后采用过零比较器和MCU内置模数转换器(ADC)采样进行阈值比较和过零点计算，确定顺逆流过程的超声波渡越时间。该方法具有电路简单，信噪比高，测量无盲区等特点，适用于任何管径的超声波流量计。适用于任何管径的超声波流量计。适用于任何管径的超声波流量计。