超聲波熱量表用高精度采集電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了超聲波熱量表用高精度采集電路，包括時(shí)間測(cè)量芯片、第一換能器和第二換能器，時(shí)間測(cè)量芯片F(xiàn)ire1腳通過第二、第六電阻串聯(lián)連接模擬開關(guān)1Z腳，第二、第六電阻的連接端接第七電阻后接地；模擬開關(guān)3Z和GND腳都接地，1Y0和3Y0腳連接第一換能器正端，1Y1和3Y1腳連接第二換能器的正端，S1和S3腳與中央處理器IO口連接；第一和第二換能器的負(fù)端分別接地；電壓比較器V+腳通過第一電容與1Z腳連接，V+腳通過第二電阻接電源正極，V+腳通過第四電阻接地，V?腳與第三、第一電阻串聯(lián)后接電源正極，V?腳通過第五電阻接地，VOUT腳接時(shí)間測(cè)量芯片Stop1腳，GND腳接地，VCC腳接電源正極。
【專利說明】
超聲波熱量表用高精度采集電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種超聲波熱量表的脈沖發(fā)送和超聲波接收電路的改進(jìn)，具體地說是一種超聲波熱量表用高精度采集電路，其作用是確保超聲波熱量表不受電路元件和溫濕度變化的影響，確保熱量表始終都有一個(gè)高精度的測(cè)量能力。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家供熱計(jì)量改革的推廣，超聲波熱量表以其計(jì)量精度高、維護(hù)方便、無機(jī)械部件、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)得到了國家的大力扶持，從而得到了大面積的推廣和應(yīng)用。為了保證供熱計(jì)量中的數(shù)據(jù)的可靠性，必須保證超聲波熱量表的計(jì)量精度和計(jì)量的穩(wěn)定性。由于超聲波熱量表本身的原因和現(xiàn)場(chǎng)工作條件因素的影響，計(jì)量的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不精確和不穩(wěn)定的情況。目前對(duì)超聲波計(jì)量精度和計(jì)量穩(wěn)定性方面的保證，有軟件和硬件兩個(gè)大的方面。軟件主要是使用濾波算法濾除掉超聲波熱量表使用過程中遇到的干擾，硬件方面是使用濾波電路來提高產(chǎn)品的抗干擾度，通用的軟件濾波算法有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平、均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法限幅、消抖濾波法、IIR數(shù)字濾波器等;通用的硬件濾波電路是RC濾波。通過這兩種方法，能夠?qū)⒋蟛糠值母蓴_信號(hào)濾除掉，但是如果器件本身受溫濕度等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響而造成的干擾則不能濾除，從而造成計(jì)量精度和計(jì)量穩(wěn)定性上面的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，不會(huì)受溫度、濕度和時(shí)間的影響，時(shí)刻保持高精度測(cè)量精度的超聲波熱量表用高精度采集電路。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的的技術(shù)方案是:該超聲波熱量表用高精度采集電路，包括時(shí)間測(cè)量芯片、第一換能器和第二換能器，時(shí)間測(cè)量芯片的SO管腳、SI管腳、SCK管腳和SSN管腳與超聲波熱量表的MCU中央處理器的1 口連接，其特征在于:所述的時(shí)間測(cè)量芯片的Firel管腳通過第二電容和第六電阻串聯(lián)連接模擬開關(guān)的IZ管腳，第二電容和第六電阻的連接端接第七電阻后接地;模擬開關(guān)的3Z管腳和GND管腳都接地;模擬開關(guān)的IYO管腳和3Y0管腳連接第一換能器的正端，模擬開關(guān)的IYl管腳和3Y1管腳連接第二換能器的正端，模擬開關(guān)的VEE管腳接電源負(fù)極，模擬開關(guān)的VCC管腳接電源正極，模擬開關(guān)的SI管腳和S3管腳與超聲波熱量表的MCU中央處理器的1 口連接;第一換能器的負(fù)端和第二換能器的負(fù)端分別接地；電壓比較器的V+管腳通過第一電容與模擬開關(guān)的IZ管腳連接，電壓比較器的V+管腳通過第二電阻連接電源正極，電壓比較器的V+管腳通過第四電阻接地，電壓比較器的V-管腳與第三電阻、第一電阻串聯(lián)后接電源正極，電壓比較器的V-管腳通過第五電阻接地，電壓比較器的VOUT管腳接時(shí)間測(cè)量芯片的Stopl管腳，電壓比較器的GND管腳接地，電壓比較器的VCC管腳接電源正極。
[0005]本實(shí)用新型的有益效果在于:與目前的超聲波熱量表用采集電路相比，首先在電路上以RC濾波方式將干擾濾除掉，并且通過使用同一條通路消除環(huán)境變化對(duì)電路的影響，隨后又在數(shù)據(jù)上進(jìn)行濾波，這樣保證了超聲波熱量表的采集到的數(shù)據(jù)的可靠性，不會(huì)由于干擾的存在導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不正常變化，也不會(huì)由于環(huán)境變化導(dǎo)致器件參數(shù)變化引起數(shù)據(jù)的不正常變化，保證了超聲波熱量表有較強(qiáng)的抗低頻干擾能力和較強(qiáng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0006]圖1為本實(shí)用新型的電路原理不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0007]參照?qǐng)D1制成本實(shí)用新型。該超聲波熱量表用高精度采集電路，包括時(shí)間測(cè)量芯片U3、第一換能器Pl和第二換能器P2，時(shí)間測(cè)量芯片U3的SO管腳、SI管腳、SCK管腳和SSN管腳與超聲波熱量表的MCU中央處理器的1 口連接，其特征在于:所述的時(shí)間測(cè)量芯片U3的Firel管腳通過第二電容C2和第六電阻R6串聯(lián)連接模擬開關(guān)Ul的IZ管腳，第二電容C2和第六電阻R6的連接端接第七電阻R7后接地，這樣第二電容C2和第七電阻R7就組成了濾波電路;模擬開關(guān)Ul的3Z管腳和GND管腳都接地;模擬開關(guān)Ul的IYO管腳和3Y0管腳連接第一換能器Pl的正端，模擬開關(guān)Ul的IYl管腳和3Y1管腳連接第二換能器P2的正端，模擬開關(guān)Ul的VEE管腳接電源負(fù)極，模擬開關(guān)Ul的VCC管腳接電源正極，模擬開關(guān)Ul的SI管腳和S3管腳與超聲波熱量表的MCU中央處理器的1 口連接;第一換能器Pl的負(fù)端和第二換能器P2的負(fù)端分別接地；電壓比較器U2的V+管腳通過第一電容Cl與模擬開關(guān)Ul的IZ管腳連接，電壓比較器U2的V+管腳通過第二電阻R2連接電源正極，電壓比較器U2的V+管腳通過第四電阻R4接地，在V+管腳使用第二電阻R2和第四電阻R4分壓將V+管腳的直流電平提高到1/2VCC，電壓比較器U2的V-管腳與第三電阻R3、第一電阻Rl串聯(lián)后接電源正極，電壓比較器U2的V-管腳通過第五電阻R5接地，通過第一電阻Rl、第三電阻R3、第五電阻R5分壓接固定電平，電平幅值約為l/2VCC-(18mV)，電壓比較器U2的VOUT管腳接時(shí)間測(cè)量芯片U3的Stopl管腳，電壓比較器U2的GND管腳接地，電壓比較器U2的VCC管腳接電源正極。
[0008]所述的模擬開關(guān)Ul為Philiphs生產(chǎn)的74HC4053芯片；電壓比較器U2為TexasInstruments(TI)生產(chǎn)的LMV7239;時(shí)間測(cè)量芯片U3為山東力創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的時(shí)間測(cè)量芯片，型號(hào)為LC9505。
[0009]超聲波熱量表用高精度采集電路的原理是:順流測(cè)試時(shí)，時(shí)間測(cè)量芯片U3發(fā)送一定數(shù)量的IMHz方波，通過模擬開關(guān)Ul，控制方波驅(qū)動(dòng)第一換能器Pl震動(dòng)，發(fā)出超聲波信號(hào)，通過熱量表管道內(nèi)的反射裝置，第二換能器P2接收到超聲波信號(hào)，解析出頻率為1MHz、中心振蕩點(diǎn)為OV的波形，通過第一電容Cl耦合交流信號(hào)到電壓比較器U2的V+管腳，由于V-管腳的直流信號(hào)比V+管腳要低ISmV左右，能濾除掉信號(hào)線上的雜波干擾，通過電壓比較器U2，回來的交流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過VOUT管腳發(fā)給時(shí)間測(cè)量芯片U3的stopl管腳，時(shí)間測(cè)量芯片U3測(cè)量出回波的相位差值;逆流測(cè)試時(shí)，時(shí)間測(cè)量芯片U3發(fā)送一定數(shù)量的IMHz方波，通過模擬開關(guān)Ul，控制方波驅(qū)動(dòng)第二換能器P2震動(dòng)，發(fā)出超聲波信號(hào)，通過熱量表管道內(nèi)的反射裝置，第一換能器Pl接收到超聲波信號(hào)，解析出頻率為1MHz、中心振蕩點(diǎn)為OV的波形，通過第一電容Cl耦合交流信號(hào)到電壓比較器U2的V+管腳，由于V-管腳的直流信號(hào)比V+管腳要低ISmV左右，能濾除掉信號(hào)線上的雜波干擾，通過電壓比較器U2，回來的交流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過VOUT管腳發(fā)給時(shí)間測(cè)量芯片U3的stopl管腳，時(shí)間測(cè)量芯片U3測(cè)量出回波的相位差值，將測(cè)量的相位差值進(jìn)行相減，得到的差值即為水的流動(dòng)帶來的差值，從得到的差值反推出水流速度。由于順、逆流測(cè)量時(shí)的發(fā)送和接收電路，除了模擬開關(guān)的部分，其它部分使用的是同一條通路，在最大程度上降低了器件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，當(dāng)工作環(huán)境變化時(shí)，器件的變化引起的影響施加在順、逆流測(cè)量的大小一致，通過相減將影響消除，類似于差分電路。并且在發(fā)送階段使用第二電容C2、第七電阻R7，在接收階段使用第一電容Cl、第四電阻R4濾除低頻信號(hào)，在得到的測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件濾波，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0010]使用本實(shí)用新型時(shí)，順、逆流的測(cè)量邏輯控制如下所述，首先順流測(cè)量時(shí)，LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3通過Firel管腳發(fā)送IMHz方波，通過電容耦合到74HC4053模擬開關(guān)Ul的IZ管腳，此時(shí)S1、S3管腳上的控制信號(hào)為0、I(Statel)，IZ和IYO管腳接通，3Z和3Y1管腳接通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過IZ管腳驅(qū)動(dòng)第一換能器Pl，此時(shí)第二換能器P2通過3Z管腳接地，等到發(fā)送完方波之后，將S1、S3管腳上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改為1、0(State2)，IZ和IYl管腳接通，3Z和3Y0管腳接通，此時(shí)第一換能器Pl通過3Z管腳接到地上，消除第一換能器Pl上的余震，第二換能器P2通過IZ管腳等待回波信號(hào)的到來，等回波信號(hào)接收完畢，LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3會(huì)給超聲波熱量表的MCU中央處理器信號(hào)，M⑶中央處理器通過SPI接口讀取LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3測(cè)量的數(shù)據(jù)，順流測(cè)試完畢;逆流測(cè)量時(shí)，LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3通過Firel管腳發(fā)送IMHz方波，通過電容耦合到74HC4053模擬開關(guān)Ul的IZ管腳，此時(shí)31、33管腳上的控制信號(hào)為1、0(State3)，lZ和IYl管腳接通，3Z和3Y0管腳接通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過IZ管腳驅(qū)動(dòng)第二換能器P2，此時(shí)第一換能器Pl通過3Z管腳接地，等到發(fā)送完方波之后，將S1、S3管腳上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改為
0、1(3丨&丨64)，12和1￥0管腳接通，32和1￥1管腳接通，此時(shí)第二換能器?2通過32管腳接到地上，消除第二換能器P2上的余震，第一換能器Pl通過IZ管腳等待回波信號(hào)的到來，等回波信號(hào)接收完畢，LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3會(huì)給超聲波熱量表的MCU中央處理器信號(hào)，MCU中央處理器通過SPI接口讀取LC9505時(shí)間測(cè)量芯片U3測(cè)量的數(shù)據(jù)，逆流測(cè)試完畢。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.超聲波熱量表用高精度采集電路，包括時(shí)間測(cè)量芯片(U3)、第一換能器(PD和第二換能器(P2)，時(shí)間測(cè)量芯片(U3)的SO管腳、SI管腳、SCK管腳和SSN管腳與超聲波熱量表的M⑶中央處理器的1 口連接，其特征在于:所述的時(shí)間測(cè)量芯片(U3)的Firel管腳通過第二電容(C2)和第六電阻(R6)串聯(lián)連接模擬開關(guān)(Ul)的IZ管腳，第二電容(C2)和第六電阻(R6)的連接端接第七電阻(R7)后接地;模擬開關(guān)(Ul)的3Z管腳和GND管腳都接地;模擬開關(guān)(Ul)的IYO管腳和3Y0管腳連接第一換能器(Pl)的正端，模擬開關(guān)(Ul)的IYl管腳和3Y1管腳連接第二換能器(P2)的正端，模擬開關(guān)(Ul)的VEE管腳接電源負(fù)極，模擬開關(guān)(Ul)的VCC管腳接電源正極，模擬開關(guān)(Ul)的SI管腳和S3管腳與超聲波熱量表的MCU中央處理器的1 口連接；第一換能器(Pl)的負(fù)端和第二換能器(P2)的負(fù)端分別接地;電壓比較器(U2)的V+管腳通過第一電容(Cl)與模擬開關(guān)(Ul)的IZ管腳連接，電壓比較器(U2)的V+管腳通過第二電阻(R2)連接電源正極，電壓比較器(U2)的V+管腳通過第四電阻(R4)接地，電壓比較器(U2)的V-管腳與第三電阻(R3)、第一電阻(Rl)串聯(lián)后接電源正極，電壓比較器(U2)的V-管腳通過第五電阻(R5 )接地，電壓比較器(U2 )的VOUT管腳接時(shí)間測(cè)量芯片(U3 )的Stop I管腳，電壓比較器(U2 )的GND管腳接地，電壓比較器(U2 )的VCC管腳接電源正極； 所述的模擬開關(guān)(Ul)為74HC4053芯片；電壓比較器(U2)為LMV7239;時(shí)間測(cè)量芯片(U3)為LC9505。
【文檔編號(hào)】G01K19/00GK205483338SQ201620044378
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年1月18日
【發(fā)明人】李 東, 吳明花, 邱德華, 桑濤
【申請(qǐng)人】山東力創(chuàng)科技股份有限公司