CN110346003B - 一种气体超声波流量计信号激励与获取电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体超声波流量计信号激励与获取电路，采用储能元件给变压部件供电，在较短时间内迅速释放尽可能多的能量，以使超声波探头获得最大的驱动功率。采用变压部件不仅可以对较低的电源电压进行升压，还能够以尽可能小的衰减对快速变化的控制信号进行传输，以驱动超声波探头。控制开关在发射控制信号的控制下接通或关断放电回路，获得高速、大电流的初级驱动信号以驱动变压部件进行工作，产生幅度大、驱动力强的激励信号即发射信号，这样也可以得到幅度较大的接收信号即回波信号。将超声波探头和检测电路物理隔离，消除了发射激励及接收电路开始工作前基线噪声对后续的回波检测电路的影响，回波信号基线非常干净，降低基线噪声对回波检测电路的影响。

Description

一种气体超声波流量计信号激励与获取电路
技术领域
本发明属于超声波气体流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种气体超声波流量计信号激励与获取电路。
背景技术
超声波流量计是一种利用超声波在流体中传播时受流体流速影响而进行流速测量的仪表。当超声波沿顺流方向传播时，其传播速度相当于流体静止时的速度和流体流速的叠加，其沿传播方向的声速将大于流体静止时的声速，且其值与流体流速相关；当超声波沿逆流方向传播时情况相反。因此只要测量出超声波声速的变化值，就能够推算得出流体的流速，进而得到流量。该方法称为时差法，其原理示意图如图1所示。
设流体流速为V，管道直径为D，两换能器A、B的直线距离为L，换能器与管道法线的夹角为θ，超声波在静止的流体中的速度为C。一束超声脉冲经流体传播，其声程L＝D/cosθ。当超声波顺流时其速度为C+Vsinθ，从而有顺流的传播时间tAB为：
tAB＝L/(C+Vsinθ) (1)
逆流的传播时间tBA为：
tBA＝L/(C-Vsinθ) (2)
由式(1)、(2)及L＝D/cosθ推导计算出流体的流速V的表达式为：
V＝D(1/tAB-1/tBA)/sin2θ (3)
由上式可以看出，只要分别测出顺流，逆流的传播时间tAB和tBA即可得到流体的流速，进而得到流量。
由上述原理可以看出，要想实现超声波流量测量，必须使用激励电路推动超声探头发出超声波。同时，需要获取电路拾取超声波探头接收到的超声波。
然而现有的气体超声波流量计信号激励与获取电路结构较为复杂，发射信号的幅度和接收信号的幅度较小，存在基线噪声对回波检测电路的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气体超声波流量计信号激励与获取电路，以简化电路结构，同时提高发射信号、接收信号的幅度，降低基线噪声对回波检测电路的影响。
为实现上述发明目的，本发明气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，包括：
储能元件，用于为激励超声波探头发射超声波积蓄能量；
变压部件，其初级一端与储能元件的正端连接；
控制开关，一端连接变压部件初级另一端，另一端连接到储能元件的负端，构成放电回路；控制开关的控制端与发射控制信号连接，在发射控制信号的控制下接通或关断放电回路，以驱动变压部件进行工作；
发射激励及接收电路，其输入与变压部件的次级两端相连接，用于将变压部件次级输出的激励信号在发射超声波时引入超声波探头；在接收超声波时，将超声波探头接收的超声波(回波信号)引入接收，并输出给限幅电路；
限幅电路，用于接收到的回波信号和激励信号的隔离，较弱的回波信号通过限幅电路输出到隔离电路，激励信号限制到一定幅度，避免对后续回波检测电路的影响；
隔离电路，用于对回波检测电路进行隔离，在发射超声波阶段，隔离电路呈高阻态，限幅后的激励信号不能通过隔离电路输出到后续回波检测电路，当处于接收超声波阶段时，其脱离高阻状态，将接收到的回波信号传输到后续回波检测电路。
本发明的目的是这样实现的：
本发明气体超声波流量计信号激励与获取电路，采用储能元件给变压部件供电，在较短时间内迅速释放尽可能多的能量，以使超声波探头获得最大的驱动功率。采用变压部件不仅可以对较低的电源电压进行升压，还能够以尽可能小的衰减对快速变化的控制信号进行传输，以驱动超声波探头。控制开关在发射控制信号的控制下接通或关断放电回路，获得高速、大电流的初级驱动信号以驱动变压部件进行工作，产生幅度大、驱动力强的激励信号即发射信号，这样也可以得到幅度较大的接收信号即回波信号。隔离电路将超声波探头和检测电路物理隔离，消除了发射激励及接收电路开始工作前基线噪声对后续的回波检测电路的影响，回波信号基线非常干净，降低基线噪声对回波检测电路的影响。
附图说明
图1是时差法测量气体流量工作原理示意图；
图2是本发明气体超声波流量计信号激励与获取电路一种具体实施例方式结构示意图；
图3是信号激励与获取模块引脚图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图2是本发明气体超声波流量计信号激励与获取电路一种具体实施例方式结构示意图。
在本实施例中，如图2所示，气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，包括储能元件1、变压部件2、控制开关3、发射激励及接收电路4、限幅电路5、隔离电路6。
储能元件1为激励超声波探头发射超声波积蓄能量。由于超声波在发射时需要在较短时间内迅速释放尽可能多的能量，以使超声波探头获得最大的驱动功率，普通的电源无法满足要求，因此采用储能原件来提供超声波探头发射所需能量。电容具有放电速度快、放电电流大的优点，因此，在本实施例中，采用大容量电容作为储能元件。D+为蓄能元件1输入端，通过一个限流电阻连接电源，为蓄能元件1提供电能即获得电能；
变压部件2初级一端与储能元件1的正端连接。为了获得最佳的发射效果，对超声波探头的驱动需要采用高的驱动电压。变压部件不仅可以对较低的电源电压进行升压，还能够以尽可能小的衰减对快速变化的发射控制信号进行传输，以驱动超声波探头。
控制开关3一端连接变压部件2初级另一端，另一端连接到储能元件1的负端，构成放电回路。控制开关3的控制端与发射控制信号Dr连接，在发射控制信号Dr的控制下接通或关断放电回路，以驱动变压部件进行工作。
控制开关3用于获得高速、大电流的初级驱动信号，其在发射控制信号Dr的控制下接通或关断放电回路，以驱动变压部件2进行工作，使其在次级输出激励信号。为了获得尽可能高的变化速率及尽可能大的驱动电流，要求控制开关3的导通速率要尽可能的高且导通阻抗尽可能的小。在本实施例中，采用高速场效应管作为控制开关。
发射激励及接收电路4的输入与变压部件2的次级两端相连接，将变压部件2次级输出的激励信号在发射超声波时引入超声波探头；在接收超声波时，将超声波探头接收的超声波(回波信号)引入接收，并输出给限幅电路5。
由于发射的激励信号和接收的回波信号使用相同的传输通路，因此为了避免较大幅度的激励信号对后级电路的影响，在本发明中设置了限幅电路5。限幅电路5用于接收到的回波信号和激励信号的隔离，较弱的回波信号通过限幅电路5输出到隔离电路6，激励信号限制到一定幅度，避免对后续回波检测电路的影响。
隔离电路6用于对回波检测电路进行隔离，在发射超声波阶段，隔离电路呈高阻态，限幅后的激励信号不能通过隔离电路输出到后续回波检测电路，当处于接收超声波阶段时，其脱离高阻状态，将接收到的回波信号传输到后续回波检测电路。在本实施例中，隔离电路6用由带关断功能的运放构成，运放有一使能控制信号输入端En，在发射超声波阶段，其无效，隔离电路6呈高阻态，在接收超声波阶段，其有效，隔离电路6脱离高阻状态，将接收到的回波信号传输到后续回波检测电路。
在本实施例中，将上述气体超声波流量计信号激励与获取电路封装在一起构成了信号激励与获取模块，其对外引脚名称如图3所示。
各引脚功能如表1所示。
Figure BDA0002148921510000041
Figure BDA0002148921510000051
表1
本发明提供了一种气体超声波流量计信号激励与获取电路，可以完成超声探头的激励及回波信号的获取。该电路具有以下特点：1.结构紧凑，利用较少的部件实现了超声信号的发射激励及回波信号的获取；2.功耗较低，使用较少的驱动能量获得较大的发射及接收信号幅度；3.输出端具有高阻功能，在发射较大幅度的激励信号及接收电路不工作时，可使信号获取电路输出端呈现高阻状态，将超声波探头和检测电路物理隔离，消除发射激励及接收电路开始工作前基线噪声对回波检测电路的影响，回波信号基线非常干净。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，包括：
储能元件，用于为激励超声波探头发射超声波积蓄能量；
变压部件，其初级一端与储能元件的正端连接；
控制开关，一端连接变压部件初级另一端，另一端连接到储能元件的负端，构成放电回路；控制开关的控制端与发射控制信号连接，在发射控制信号的控制下接通或关断放电回路，以驱动变压部件进行工作；
发射激励及接收电路，其输入与变压部件的次级两端相连接，用于将变压部件次级输出的激励信号在发射超声波时引入超声波探头；在接收超声波时，将超声波探头接收的超声波即回波信号引入接收，并输出给限幅电路；
限幅电路，用于接收到的回波信号和激励信号的隔离，较弱的回波信号通过限幅电路输出到隔离电路，激励信号限制到一定幅度，避免对后续回波检测电路的影响；
隔离电路，用于对回波检测电路进行隔离，在发射超声波阶段，隔离电路呈高阻态，限幅后的激励信号不能通过隔离电路输出到后续回波检测电路，当处于接收超声波阶段时，其脱离高阻状态，将接收到的回波信号传输到后续回波检测电路。
2.根据权利要求1所述的气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，采用大容量电容作为储能元件，通过一个限流电阻连接电源，以获得电能。
3.根据权利要求1所述的气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，采用高速场效应管作为控制开关。
4.根据权利要求1所述的气体超声波流量计信号激励与获取电路，其特征在于，隔离电路由带关断功能的运放构成，运放有一使能控制信号输入端En，在发射超声波阶段，其无效，隔离电路呈高阻态，在接收超声波阶段，其有效，隔离电路脱离高阻状态，将接收到的回波信号传输到后续回波检测电路。
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