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超聲波流量計信號驅動與高速切換電路研究

發布:2020/7/7 17:03:49人氣:1518
超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速.從而換算成流量。超聲波用于測量流體的流速有許多優點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。超聲波流量計的測量方法有時差法、多普勒效應法、波束偏移法等,其中時差法的電路ZUI為簡單.使用也ZUI為廣泛。
 
1.時差法超聲波流量計的原理
時差法超聲波流量計其工作原理如圖1所示。它是利用一對超聲波換能器相向交替收發超聲波,通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速,在通過流速來計算流量的一種間接測量方法。通過計算可
得V=c2(Tu-Td)/2X
式中c是超聲波在非流動介質中的聲速,V是流體介質的流動速度,X是兩個換能器在管線方向上的距(V遠小于c的情況下)。由此可見,流體的流速
與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量Q可以表示為:
Q=πD2/4Vfdt
 
2.超聲波脈沖信號驅動及高速切換電路
超聲波信號發射的驅動方式一般有兩種:高壓單脈沖信號,用升壓變壓器升壓到小于600Vpp的單脈沖信號,主要用于氣體流速的測量:低壓多脈沖信號,用驅動電路將電壓轉換為20~30Vpp的5~10個脈沖信號,主要用于液體流速的測量。
一個典型的雙聲道超聲波流量計信號處理電路如圖2所示。
超聲波換能器為收發一體型傳感器,載波頻率一般為500Hz1MHz或2MHz。經過驅動電路處理后.將微控制器發出的3.3V或5V脈沖信號轉換為15V的脈沖信號,并經B皿L電路驅動.形成30V的脈沖信號加到超聲波換能器發射出去。經過流動的介質后,另一個超聲波換能器接收到衰減后的超聲波回饋信號,讓后級電路進行后續的處理。這里由于采用的是一體型超聲波換能器.所以兩個傳感器在某一時刻,一個是發射傳感器,一個是接收傳感器,另
時刻兩個傳感器的作用又進行調換。所以,需要個高速低阻的四路模擬開關進行信號的轉換。
2.1信號驅動電路
為了實現微控制器的脈沖信號電平到15V電平輸出的轉換,采用麥瑞半導體公司MIC4427芯片,這是一款雙低邊MOS場效應管驅動器,ZUI大峰值輸出電流為1.5A。該芯片可以將TTL或者CMOS電平信號轉換為電源電壓信號電平,電源電壓可在4.5V到18V之間.輸出延時小于40ns。
T1和T2交替出現等幅等頻脈沖信號高低電平,則可形成一個BTL驅動電路,頻率為T1或T2的一半,幅度為30V的峰峰值脈沖信號。因為超聲波換能器是一個容性負載為了提高波形質量,減小上升沿和下降沿的尖峰脈沖,加入了兩個N4148二極管和兩個2k歐姆的分流電阻進行匹配。
2.2信號切換電路
為了實現信號的高速切換.采用美信半導體的DC403芯片,這是一款四路高速模擬切換開關,開關切換是,導通時間只需100~150ns關斷時間只需60~-100ns導通電阻ZUI大3歐姆。在上游超聲波換能器發射脈沖波形的時候,通過 CHANL的選擇,關斷上游超聲波塊能器.導通下游超聲波換能器到輸出端D,并聯一個電阻一個電容進行阻抗匹配之后,經電容去波形直流電壓成分送中頻放大器MC1350進行初級放大等后續處理.微控制器可測得從上游傳感器發送脈沖到接收到放大后的信號的時間順流傳輸Td。同理,下游超聲波換能器發送脈沖.上游超聲波換能器經CHANL選擇信號后匹配電阻電容進行放大處理可測得逆流傳輸時間Tu。時間差△T=Tu-Td。根據公式即可計算得出介質的流速,并可轉換為流量。

 
3.具體電路調試
為電路調試方便.首先固定 CHANL,即只測某個方向的傳輸時間,能夠測試穩定后再測另一個方向的傳輸時間。兩個都可順利測得后.再加入定時切換兩者的發射與接收。
首先,發射10個周期的脈沖,然后測試超聲波換能器兩端的電壓信號。如果出現較大的雜波或尖峰,則需調整匹配電阻的參數,或者再并入一個小電容.直到出現規則的波形較好的30V峰峰值的10個方波脈沖信號。然后,測試接收端,直接測接收端或者并入電阻電容后,都無法看到規則的波形,要經過初級F放大芯片MC1350后,才可通過示波器,看到較為規則的接收信號。一般幅度較低.略有頻偏。在發射脈沖信號一定時間后出現若干組回饋信號.其中只有一組是需要的信號.其他均為無用的干擾信號或反復折射后的信號。
 
4.結語
該電路已經通過仿真及電路實驗.并已經應用于液體超聲波流量計上,測量實驗室用自來水管,可測得較為穩定的流量數據(未標定)。該超聲波電路,理論上可測管徑為5~500cm,與選用的超聲波換能器有關。
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