一种基于累积相位差的超声波流量测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于累积相位差的超声波流量测量装置，采用连续的正弦波信号对发射传感器进行驱动，两路接收的超声波信号分别进行选频放大、波形变换后得到脉冲信号，然后在波形变化电路转换为相位差信号；在脉宽/电压转换电路对相位差信号进行脉宽/电压转换时，采用N次脉冲充电机累计充电的方式对电容进行充电，从而增加了电容的充电量，使得测量的分辨率提高，从而更加精确地测量出相位差信号的脉冲宽度即时间差Δt，这样提高流量测量的精度。
【专利说明】
一种基于累积相位差的超声波流量测量装置
技术领域
[0001] 本发明属于流量检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于累积相位差的超声 波流量测量装置。
【背景技术】
[0002] 节能降耗是当今社会和时代发展得迫切要求。开展节能降耗，首先要求对能源的 使用与消耗进行精确的量化，即采用计量器具准确地计量能源消耗，要依据计量器具所提 供的数据来计算和考核能耗，依靠计量(检测)结果来科学管理，提高经济效益，才能实现真 正意义上的节能降耗。因此，计量(检测)是节能降耗、消除贸易结算中双方矛盾所必需的必 要手段，流量测量的准确性和可靠性已经成为大家关注的焦点。
[0003] 超声波流量测量技术由于其突出的优点，如没有运动部件、非接触式测量、测量精 度高、可测量范围宽等，在近几年迎来了迅猛的发展。因此，超声波流量检测技术作为一种 新型流量检测技术，致力于提高其流量检测精度和扩展流量检测使用场合等研究工作，无 论是对于国民经济还是科学发展等领域都具有极其深远的意义。
[0004] 超声波流量测量的方式有多种，包括传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差 法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等，其中，超声波时差法 流量测量方法是一种分别测量超声波在流体介质中沿顺流传播和沿逆流传播的传播时间， 求得沿超声波传播路径的平均流速，进而根据流体流速和流体横截面积等参数测量管道内 流体流量的方法。如图1所示。图中，E为发射传感器，位于测量管道的一侧，R A、RB为上下游接 收传感器，位于测量管道的另一侧，与发射传感器E相对;两路接收传感器Ra、Rb与发射传感 器E的安装角度均为Θ，Co为超声波在静止流体中的传播速度，V为流速，D为管道内径。驱动 信号驱动发射传感器E发射超声波信号，分别沿顺流和逆流的方向传播;两个接收传感器 Ra、Rb会先后接收到由发射传感器E发射来的信号，通过比较两路接收信号之间的相位差即 可得到两个接收传感器接收到超声波信号时之间的时间差A t。
[0005] 然而，通常流体流速相对于超声波的传播速度来说很小，因此两路超声波接收信 号得到的相位差脉冲宽度即时间差A t较小，因而根据相位差脉冲转换得到的电容充电量 较小，影响测量结果精度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于累积相位差的超声波流量 测量装置，以提高流量测量的精度。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置，包括：
[0008] 位于测量管道的一侧的发射传感器以及位于测量管道的另一侧，与发射传感器相 对的上、下游接收传感器，两路接收传感器(上、下游接收传感器)与发射传感器的安装角度 均为Θ;
[0009] 其特征在于，所述发射传感器采用连续的正弦波信号进行驱动，以产生连续的超 声波信号，并同时向上、下游接收传感器发射；
[0010] 所述的基于累积相位差的超声波流量测量装置还包括：
[0011] 由两路选频放大电路、两路波形变换电路以及相位比较电路构成超声波信号接收 模块，其中，上、下游接收传感器接收到发射传感器发射的超声波信号后，各自送入一路选 频放大电路，以滤除接收的超声波信号中夹杂的高频干扰成分，然后各自通过一路波形变 换电路，将它们变换为脉冲信号，以便于比较出它们之间的相位差信号，最后，相位比较电 路对两路波形变换电路输出脉冲信号的相位进行比较，得到相位差信号；
[0012] 脉宽/电压转换电路和采样保持电路，其中，脉宽/电压转换电路用于相位差信号 的脉冲宽度转换为电容(充电电容)的充电电压，转换过程结束后，断开相位差信号，停止将 相位差信号作为开门信号，对脉宽/电压转换电路2中的电容进行充电，同时，采样保持电路 对电容的充电电压进行采样保持，以确保转换结果的准确性；
[0013] 高精度的A/D转换器，用于将采样电路保持的电容的充电电压转换为数字信号的 充电电压值；
[0014] 计数器，对相位差信号进行计数，当计数到N+1时，表示转换过程结束，输出转换完 成标志信号到脉宽/电压转换电路，断开相位差信号；同时，转换完成标志信号还输入到时 序控制模块；
[0015] 时序控制模块，当转换完成标志信号脉冲到来时，输出A/D使能信号，启动对高精 度的A/D转换器对采样电路保持的电容的充电电压进行转换，同时，延迟一定的时间即测量 时间后，输出放电脉冲到脉宽/电压转换电路，对电容进行放电，再延迟一定的时间即放电 时间后，输出复位信号给计数器以及脉宽/电压转换电路，使计数器复位，重新计数，使脉 宽/电压转换电路复位，重新进行相位差信号的脉冲宽度转换为电容的充电电压的累积充 电过程；
[0016] 流量计算模块，根据充电电压值，得到接收到的超声波信号的时间差，然后，结合 管道参数，计算出流体流量。
[0017] 本发明的目的是这样实现的。
[0018] 本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置，采用连续的正弦波信号对发射传 感器进行驱动，两路接收的超声波信号分别进行选频放大、波形变换后得到脉冲信号，然后 在波形变化电路转换为相位差信号;在脉宽/电压转换电路对相位差信号进行脉宽/电压转 换时，采用N次脉冲累积充电的方式对电容进行充电，从而增加了电容的充电量，使得测量 的分辨率提高，从而更加精确地测量出相位差信号的脉冲宽度即时间差At，这样提高了流 量测量的精度。
【附图说明】
[0019] 图1是超声波时差法流量测量原理示意图；
[0020] 图2是本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置接收的两路接收的超声波信 号之间的相位差示意图；
[0021] 图3是图2所示的两路接收的超声波信号波形变化后，得到的脉冲信号波形图；
[0022] 图4是本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置一种【具体实施方式】原理框 图；
[0023] 图5是本发明中多次累积测量的波形示意图；
[0024] 图6是完整的测量周期中电容两端电压输出示意图；
[0025] 图7是本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置另一种【具体实施方式】原理框 图；
[0026] 图8是图4所示超声波信号接收模块的一种【具体实施方式】原理图；
[0027] 图9是图4中接收传感器接收到的超声波信号的波形图；
[0028] 图10是图8中接收传感器接收到的超声波信号经过放大后的波形图；
[0029] 图11是图8中接收传感器接收到的超声波信号经过二次放大后的波形图；
[0030] 图12是图8所示波形变换电路将超声波信号变换输出的脉冲信号波形图；
[0031] 图13是图4所示相位比较电路的一种【具体实施方式】原理图；
[0032]图14是图4所示波形变换电路输出的两路脉冲信号波形图；
[0033] 图15是图13所示相位比较电路对两路脉冲信号进行微分处理后的波形图；
[0034] 图16是图13所示相位比较电路对两路脉冲信号进行处理后的波形图；
[0035] 图17是图4所示的脉宽/电压转换电路一种【具体实施方式】原理图；
[0036]图18是图4所示的脉宽/电压转换电路的充电电压变化波形图。
【具体实施方式】
[0037] 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。
[0038] 1、脉宽/电压累计转换测量
[0039]在本发明中，采用连续的正弦波信号对发射传感器E(超声波传感器)进行驱动，两 路接收超声波传感器即上、下游接收传感器Ra、Rb接收到的信号同样是一个连续的正弦波信 号。由于超声波在管道中的传播时延以及流体流速带来的影响，其相位同超声波发射传感 器E发射的正弦波信号相位有差异，两路接收的超声波信号之间的相位差中则包含了管道 中流体的流速信息。图2中t A为超声波信号到达位于发射传感器E上游的接收传感器Ra所耗 传播时间，tB为超声波信号到达位于发射传感器E上游的接收传感器Rb所耗传播时间，△ t为 两路接收传感器Ra、Rb接收到超声波信号的时间差。现有技术中，通常的做法是分别测得tA 和tB进而计算得到管道中流体流速，进一步得到流量。本发明采用发射传感器E采用连续的 正弦波信号进行驱动，并通过直接测量两路接收超声波信号之间的相位差Δ炉（即A t)来测 量得到流体流速，以测量流体流量。
[0040] 当逆流传播时，即发射传感器E发射，上游接收传感器Ra接收时，超声波沿A路即上 游接收传感器方向的速度为：
[0041] Va=Co-VcosB (1)
[0042]当顺流传播时，即发射传感器E发射，下接收传感器Rb接收时，超声波沿B路即下游 接收传感器方向的速度为：
[0043] Vb = Co+Vcos9 (2)
[0044] 由式(1)和(2)可得逆流传播时间tA和顺流传播时间tB为：
[0045] (3)
[0047] 由式(3)和(4)可得超声波沿逆流和顺流方向传播的时间差：[0048] At = ?Α-?Β (5)[0049] 联立式(3)、（4)和(5)，得到一元二次方程：[0050]
(6)[0051] 解得：
[0046] (4)
[0054] 其中V9-宙为伤，予以剔除"01丨流体中沿轺声波传播路径的平均流速：[0055]
(9)
[0052] (7)
[0053] (8)
[0056]图2中的两路接收的超声波信号，经过选频放大电路处理，再经过波形变换电路转 换，变为脉冲信号Pa和Pb如图3中所示。将这两个脉冲信号Pa、Pb作为相位比较电路的输入 端，可以得到图3中所示的脉冲信号CH即相位差信号，其脉冲宽度即为两路接收传感器Ra、Rb 接收的超声波信号的相位差Δ供（即时间差Δ t)。
[0057] 图4是本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置一种【具体实施方式】原理框 图·
[0058] 在本实施例中，如图4所示，本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置包括发 射传感器E、上游接收传感器Ra、上游接收传感器Rb、由两路选频放大电路、两路波形变换电 路以及相位比较电路构成超声波信号接收模块1、脉宽/电压转换电路2、采样保持电路3、高 精度的A/D转换器4、计数器5、时序控制模块6、流量计算模块7。
[0059] 如图4所示，两路接收传感器Ra、Rb接收发射传感器E发射的超声波信号后，分别送 入各自的一路选频放大电路，以滤除接收的超声波信号中夹杂的高频干扰成分，然后各自 通过一路波形变换电路将它们变换为脉冲信号，以便于比较出它们之间的相位差信号。将 相位比较电路比较出的相位差信号送入脉宽/电压转换电路2,从而将相位差信号的脉冲宽 度转换为电容的充电电压，转换过程结束后，断开电容的充电端，采样保持电路3对电容的 充电电压进行采样保持，以确保转换结果的准确性。最后，采用高精度的A/D转换器4将充电 电压转换为数字信号的充电电压值，并送入流量计算模块7中，根据充电电压值，得到链路 接收到的超声波信号的时间差，然后，结合管道参数，计算出流体流量。
[0060] 通常流体流速相对于超声波的传播速度来说很小，因此根据两路接收到的超声波 信号得到的相位差信号的脉冲宽度较小，因而单个相位差脉冲转换得到的电容充电量较 小，影响测量结果精度。因而，在本发明中，考虑将该相位差信号的脉冲宽度累积转换为电 容的充电量，再通过A/D转换器7采样得到充电后的充电电压值，从而更加精确地测量相位 差信号的脉冲宽度。
[0061] 在本发明中，如图4所示，发射传感器E发射的超声波信号是连续的正弦波信号。在 每一个完整的周期中，都可以得到一次包含流体流速特征信息的相位差。另外，这个相位差 被转换为脉冲信号后，作为开门信号控制脉宽/电压转换电路2中的电容的充电动作，从而 将连续的脉冲信号累积转换为电压值。在这种测量方案下，使得重复累积测量变得容易且 快捷。
[0062] 在本发明中，为了实现累积测量，如图4所示，还增加有计数器5、时序控制模块6。
[0063] 计数器5对相位差信号进行计数，当计数到N+1时，表示转换过程结束，即相位差信 号中有N个脉冲转换为电压，输出转换完成标志信号到脉宽/电压转换电路2,断开相位差信 号；同时，转换完成标志信号还输入到时序控制模块6;
[0064] 当转换完成标志信号脉冲到来时，时序控制模块6输出A/D使能信号，启动对高精 度的A/D转换器对采样电路保持的电容的充电电压进行转换，同时，延迟一定的时间即测量 时间后，输出放电脉冲到脉宽/电压转换电路2，对电容进行放电，再延迟一定的时间即放电 时间后，输出复位信号给计数器以及脉宽/电压转换电路，使计数器复位，重新计数，使脉 宽/电压转换电路复位2,重新进行相位差信号的脉冲宽度转换为电容的充电电压的累计充 电过程；
[0065] 如图5所示，在脉冲信号即相位差信号CH的Tl时段中，相位差信号CH的高电平部分 作为开门信号，控制对电容进行充电，累积充电次数预设为N次。在相位差信号CH的T2时段 中，对电容两端电压进行采样保持，并对电容的电压值A/D采样，从而测量得到相位差信号 CH脉冲宽度△ t，即两路接收传感器接收的超声波信号的相位差。A/D采样过程完成后，即对 电容进行放电，等待进行下一次转换测量过程。
[0066] 将相位差信号CH作为控制电容充电的信号，对电容进行充电N个△ t后，相当于N次 测量得到时间间隔A t之和的充电时间。
[0067] 考虑电容充电电流为Ic，则此时电容两端电压为：
[0068] (10)
[0069]
[0070] ( 1 1 )
[0071] 得到时间差At后再根据测量原理中推导出的公式即可计算出管道中流体的流 速。将小数据的测量转换为对大数据的测量，复杂了测量过程，但降低了测量的难度并提高 了测量精度。
[0072] 2、脉宽/电压累积转换电路的自校准
[0073] 对脉宽/电压转换电路2中的电容进行充电时，电容的充电量与充电电流、电路参 数、电容器容值和环境温度等因素都相关。即在不同时刻，受电路、容值和环境温度因素的 影响，相同的充电时间对电容充电的电量有一定差异，影响充电脉冲宽度测量结果的精度。 因此需要对这一误差进行实时地自校准，使用标准的充电脉冲对这一差异进行实时校准。
[0074] 由于电容的充电量与充电时间呈线性关系，分别设置低校准点和高校准点来校准 测量值。校准过程是对脉宽/电压转换测量过程的模拟，其区别在于用于控制电容充电的脉 冲信号为标准参考脉冲。
[0075] 考虑低校准脉冲宽度为Δ TL，则N次Δ Tl充电后电容两端电压为：
[0076]
C 12)
[0077] 考虎高校准脉冲宽度为Δ TH，则N次Δ Th充电后电容两端电压为：
[0078]
(13)
[0079] 5#立式（11 )、式（1 2)和式（Π )，可柃准得到相位差信号的脉冲宽度：
[0080]
(14)
[0081 ] 从14)叫以宥出，校准得到相位差信号的脉冲宽度At与充电电流Ic和电容容 值C都没有关系。其中，Δ Tl和Δ Th为已知量，U、UL和Uh都通过A/D采样转换得到，完全消除了 由与充电电流Ic和电容容值C等电路参数的改变带来的影响，从而提高了相位差信号脉冲 宽度的测量精度。将式(14)带入式(9)即可求得管道内流体沿传播路径的平均流速。
[0082] 为了对脉宽/电压转换电路进行校准，需要在测量过程中实时地进行高、低校准过 程，用以保证相位差信号脉冲宽度测量的精确性。因此在每一个完整的测量周期中分别进 行一次低校准和一次高校准过程，即一个完整的测量周期分别进行脉宽测量、低校准、脉宽 测量、高校准四次脉宽/电压转换测量过程，如图6所示，并给出了电容输出电压在各个测量 状态中的电压状态示意图。
[0083] 图7是本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置另一种【具体实施方式】原理框 图。
[0084] 在本实施例中，如图7所示，在图4的基础上，增加了校准脉冲产生电路8、多路选择 开关9以及4分频计数器10。
[0085] 其中，校准脉冲产生电路8用于产生频率与相位差信号频率相同、脉宽为△ IY的低 校准脉冲，以及频率与相位差信号频率相同、脉宽为A Th的高校准脉冲，其中，△ IY小于Δ Th，其值根据具体设计确定。在具体实施过程中，可以选择ATl为正弦波信号周期的10%，Δ Th为正弦波信号周期的90 %;
[0086]其中，多路选择开关9包括四个输入端￥0、￥1、￥2、￥3、，以及一个输出端。在本实施 例中，四个输入端YO、Yl、Y2、Y3依次连接相位差信号、低校准脉冲、相位差信号、高校准脉 冲，输出端接脉宽/电压转换电路2的输入。
[0087] 其中，4分频计数器10,用于对输出转换完成标志信号进行分频，其计数值作为测 量状态信号输出至流量计算模块7,流量计算模块7根据测量状态信号确定目前所测试的信 号是相位差信号、低校准脉冲、高校准脉冲中的哪一个信号；同时，其计数值还作为多路选 择开关9的选择信号，用于选择四个输入端YO、YI、Υ2、Υ3中的一路输出到脉宽/电压转换电 路2。在本实施例中，计数值为00时，选择YO，计数值为01时，选择Yl，计数值为10时，选择Υ2， 计数值为11时，选择Υ3。在具体实施过程中，计数值与输入端的关系可以根据具体情况设 置。然后通过A/D转换器测得的电容两端电压。
[0088] 首先校准脉冲产生电路8分别产生标准的高校准脉冲、低校准脉冲的标准校准脉 冲，然后与相位差信号，按照相位差信号、低校准脉冲、相位差信号、高校准脉冲输入到多路 选择开关9的四个输入端，根据4分频计数器10的计数值，每次输出其中一个输入端连接的 信号，同时，计数器5对多路选择开关9的输出信号进行计数，4分频计数器10对计数器5进位 输出的转换完成标志信号再次进行4分频计数，其计数值作为多路选择开关9的选择信号以 及测量状态信号，测量状态信号输出至流量计算模块7,确定目前所测试的信号是相位差信 号、低校准脉冲、高校准脉冲中的哪一个信号。因此，达到N次脉冲/电压转换后，多路选择开 关9按照顺序在四个输入信号间切换，这样按照相位差信号、低校准脉冲、相位差信号、高校 准脉冲，脉宽/电压转换电路2对脉冲宽度进行转换。最后流量计算模块7、根据公式（14)计 算得到相位差信号的脉冲宽度即时间差At，并结合管道参数，计算出流体流量。
[0089] 3、【具体实施方式】
[0090] 3.1)超声波信号接收模块
[0091] 超声波信号在传播过程中，由于发生反射、波形变换和衰减消耗了绝大部分能量， 接收传感器接收到的超声波信号十分微弱，通过在实验中测出的数据一般在毫伏级别，这 对于信号的检测显得十分不利。超声波信号接收模块主要实现了对超声波接收传感器中的 接收到的信号进行选频放大的功能。
[0092] 在本实施例中，如图8所示，超声波信号接收模块第一级为变压器耦合电路，其谐 振频率为超声波发射信号的频率，能最大限度的削弱其他频率的谐波对超声波接收信号的 波形质量的影响。经过变压器耦合电路后，超声波接收信号的幅度依然十分微弱，但其频率 成分较为纯净。超声波信号接收模块第二级(Al)为固定增益的运算放大电路，第三级(A2) 设置了增益可调的运算放大电路，用以将超声波接收信号放大到合适的幅度，以便进行下 一步操作。由于本发明基于累积相位差的超声波流量测量装置中，主要关注超声波发射信 号和接收信号之间的相位差，因此在超声波信号接收模块中将选频放大后的超声波接收信 号转换为脉冲信号即可满足要求。采用高速比较器过零比较的方法可以方便地将其转换为 脉冲信号。图9至图12给出了实际测试过程中超声波信号接收模块中各点的信号波形图。
[0093] 图9是图4中接收传感器接收到的超声波信号的波形图，即图8中超声波信号接收 模块中变压器T2的输入端信号（IN)。通过在示波器中观察，尽管超声波接收传感器中接收 到的信号比较微弱，其峰峰值大约为90mV，但其接收到的波形质量较好。其频率仍为40KHz， 无频率偏移发生，但有高频的尖峰干扰，疑为电源引入或是外界干扰导致，需要在后续处理 中消除干扰信号，否则将影响流量计的测量结果。
[0094] 在接收传感器中接收的超声波信号比较微弱且伴有高频噪声干扰，不便于进行测 量。因此，需要对其信号进行放大和选频处理。
[0095] 在本实施例中，如图10所示，该信号为对接收传感器接收的超声波信号进行选频 放大处理后的信号，即信号接收电路中集成运算放大器Al的6脚输出波形。从示波器中可以 观察到，经过变压器T2和集成运放Al的选频放大后，得到的波形已经比较干净了，干扰频率 成分较少，且其峰峰值已经达到了 IV。由于在后续的测量处理中，我们重点关注的是接收信 号的相位变化情况。因此对于此时的接收信号，其频率纯净度和波形质量已经符合系统的 设计要求，可以对其进行下一步的放大处理了。
[0096] 在超声波流量测量方案中，需要将接收传感器接收到的正弦信号，转换为同相位 的脉冲信号，以便于比较两路超声波接收信号之间的相位差异。但在上面得到的信号幅值 较低，不利于进行波形变化，因此有必要对该信号进行二次放大。
[0097]在本实施例中，如图11所示，该信号为对接收信号二次放大后的信号观察，即信号 接收电路中集成运算放大器A2的6脚输出波形。从示波器中可以观察到，该信号已经失真， 由于放大倍数过大，其信号的波峰和波谷被削去，不再是完整的正弦信号。但是，这却对我 们的测试过程有利。在测试过程中，采用了过零比较的方法，将正弦波转换为脉冲信号。我 们重点关注的是正弦信号的相位，而不是波形本身。信号在零点附近的上升或是下降速度 愈快，转换为脉冲信号后带来的相位损失就愈小。
[0098]上面得到的信号已经可以进行波形变换了，使用过零比较器将其转换为脉冲信 号。
[0099]如图14中所示，该信号为与接收信号同频率同相位的脉冲信号，即信号接收电路 中高速比较器MAX902(A2)的Out输出波形。
[0100] 3.2)相位比较电路
[0101] 在超声波信号接收模块中，接收到的超声波信号被转换成了同相位的脉冲信号， 接下来就可以对其进行数字处理，比较出它们之间的相位差异。如图13所示，超声波信号接 收模块接收到的超声波信号经过处理后脉冲信号，通过图中INl和IN2通道输入到相位比较 电路中。脉冲信号输入后，先经过由电容C22(C28)和电阻RlO(RH)组成的微分器，再经过由 电阻R8 (Rl 3)和Rl I (Rl 5)组成的偏置电路，将微分过后的信号的参考电位偏置为+3.3V。最 后将微分和偏置后的两路信号输入到有两个与非门(N2和N3)组成的RS触发器的R和S端，即 可在RS触发器的输出端Out 口得到一个脉冲信号，其脉冲宽度为两路输入信号的相位差。
[0102] 图14至图16给出了实际测试过程中相位比较电路中各点的信号波形图。
[0103] 在本实施例中，如图14所示，两路信号为两路接收超声波信号经过波形变换后的 脉冲信号，即相位比较电路的两个输入信号。从图14,我们可以看出它们之间存在相位差 异，使用RS触发器即可比较出它们之间的相位差异。若使用上述信号来比较相位差，会得到 重复的相位差信号（即单周期会比较出两个相位差信号），且会出现亚稳态（即RS触发器的 输出状态不确定，这是由RS触发器本身原理决定的）。因此，需要对图14中的两路信号进行 微分处理和电位偏置处理。
[0104] 在本实施例中，如图15所示，该信号为相位比较电路中RS触发器的R端和S端的输 入信号。对两路信号进行+3.3V偏置，并对其进行微分处理后，即可得信号输出如示波器中 所示。将图15中两路信号送入RS触发器，即可得输出波形如图16所示。
[0105] 图16是相位比较电路的输出信号即两路接收信号之间的相位差信号。在本实施例 中，如图16所示，该信号为图15所示电路中RS触发器的Out口的波形输出，其低电平宽度即 为两路超声波接收信号之间的相位差。
[0106] 3.3)脉宽/电压转换电路
[0107]脉宽/电压转换电路主要将累积的相位差脉冲信号转换为充电电容的充电量，把 累积的时间信号转化为了便于测量的电参量。脉宽/电压转换电路主要由恒流源、由高速开 关三极管组成的开关电路、由场效应晶体管组成的放电电路和A/D转换电路组成。
[0108]如图17所示，恒流源电路为脉宽/电压转换电路提供稳定不变的充电电流，以确保 充电过程与充电时间呈线性关系。三极管开关电路在充电脉冲即相位差信号、低校准脉冲、 高校准脉冲的作用下控制恒流源电路提供的充电电流向电容进行充电。场效应管放电电路 在放电脉冲的作用下对充电电容进行放电，以便进行下一次脉冲/电压转换测量过程。采样 保持电路对充电电容的充电电压进行保持，确保在A/D转换动作完成之前充电电压保持不 变。A/D转换电路在ADC使能脉冲的作用下进行A/D转换并输出电压值的量化序列。在脉宽/ 电压转换电路的开关器件选择中，要求其开关时间应控制在ns级，以尽量减小开关器件带 来的系统误差，放电电路和采样保持电路都要求其漏电电流小以减小由电路原因带来的误 差。
[0109] 在测试过程中，设计逻辑使得其低校准脉冲宽度为lus，高校准脉冲宽度为20us， 两路超声波接收传感器中接收信号之间相位差为4V5(即相位差信号脉冲宽度为8us)。图 18给出了脉宽/电压转换电路的充电电压变化情况。
[0110] 如图18所示，示波器中截图为充电电路输出口（Out)的一个测量周期内的电压变 化情况(相位差信号脉冲宽度为8us)。可以看出，测量系统依次经过测量、低校准、测量、高 校准四个过程。每个脉宽/电压转换过程中，充电电容端的电压都呈线性上升趋势。且在单 次转换测量过程的末尾，都有一段电压保持期（用于ADC采样）。采样保持期结束后，充电电 容迅速放电并开始下一次脉宽/电压转换过程。
[0111] 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。
【主权项】
1. 一种基于累积相位差的超声波流量测量装置，包括： 位于测量管道的一侧的发射传感器以及位于测量管道的另一侧，与发射传感器相对的 上、下游接收传感器，两路接收传感器(上、下游接收传感器)与发射传感器的安装角度均为 θ; 其特征在于，所述发射传感器采用连续的正弦波信号进行驱动，以产生连续的超声波 信号，并同时向上、下游接收传感器发射； 所述的基于累积相位差的超声波流量测量装置还包括： 由两路选频放大电路、两路波形变换电路以及相位比较电路构成超声波信号接收模 块，其中，上、下游接收传感器接收到发射传感器发射的超声波信号后，各自送入一路选频 放大电路，以滤除接收的超声波信号中夹杂的高频干扰成分，然后各自通过一路波形变换 电路，将它们变换为脉冲信号，以便于比较出它们之间的相位差信号，最后，相位比较电路 对两路波形变换电路输出脉冲信号的相位进行比较，得到相位差信号； 脉宽/电压转换电路和采样保持电路，其中，脉宽/电压转换电路用于相位差信号的脉 冲宽度转换为电容(充电电容）的充电电压，转换过程结束后，断开相位差信号，停止将相位 差信号作为开门信号，对脉宽/电压转换电路2中的电容进行充电，同时，采样保持电路对电 容的充电电压进行采样保持，以确保转换结果的准确性； 高精度的A/D转换器，用于将采样电路保持的电容的充电电压转换为数字信号的充电 电压值； 计数器，对相位差信号进行计数，当计数到Ν+1时，表示转换过程结束，输出转换完成标 志信号到脉宽/电压转换电路，断开相位差信号；同时，转换完成标志信号还输入到时序控 制丰吴块； 时序控制模块，当转换完成标志信号脉冲到来时，输出A/D使能信号，启动对高精度的 A/D转换器对采样电路保持的电容的充电电压进行转换，同时，延迟一定的时间即测量时间 后，输出放电脉冲到脉宽/电压转换电路，对电容进行放电，再延迟一定的时间即放电时间 后，输出复位信号给计数器以及脉宽/电压转换电路，使计数器复位，重新计数，使脉宽/电 压转换电路复位，重新进行相位差信号的脉冲宽度转换为电容的充电电压的累积充电过 程； 流量计算模块，根据充电电压值，得到接收到的超声波信号的时间差，然后，结合管道 参数，计算出流体流量。2. 根据权利要求1所述的超声波流量测量装置，其特征在于，还包括校准脉冲产生电 路、多路选择开关以及4分频计数器； 其中，校准脉冲产生电路用于产生频率与相位差信号频率相同、脉宽为A 的低校准脉 冲，以及频率与相位差信号频率相同、脉宽为A Th的高校准脉冲，其中，△ Tl小于△ Th，其值 根据具体设计确定； 其中，多路选择开关包括四个输入端以及一个输出端，四个输入端YO、Yl、Y2、Y3依次连 接相位差信号、低校准脉冲、相位差信号、高校准脉冲，输出端接脉宽/电压转换电路的输 入； 其中，4分计数器用于对输出转换完成标志信号进行分频，其计数值作为测量状态信号 输出至流量计算模块，流量计算模块根据测量状态信号确定目前所测试的信号是相位差信 号、低校准脉冲、高校准脉冲中的哪一个信号；同时，其计数值还作为多路选择开关的选择 信号，用于选择四个输入端YO、YI、Y2、Y3中的一路输出到脉宽/电压转换电路，计数值与输 入端的关系可以根据具体情况设置，然后通过A/D转换器测得的电容两端电压； 相位差信号的脉冲宽度：其中，U为相位差信号输入时测得的电容两端电压，Uh为高校准脉冲输入时测得的电容 两端电压，队为低校准脉冲输入时测得的电容两端电压。
【文档编号】G01F1/66GK105890685SQ201610494392
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】詹惠琴, 古军, 刘祥, 徐静, 闫冰程
【申请人】电子科技大学