基于單片機解決方案的超聲波流量計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單片機解決方案的超聲波流量計，其包括單片機控制部分、超聲波發(fā)射和采集部分、超聲波傳輸時間測量及計算部分，所述超聲波發(fā)射和采集部分包括能夠沿流體的順流和逆流方向發(fā)射和接收超聲波的超聲波換能器，所述超聲波換能器將其接收到的超聲波信號發(fā)送到超聲波傳輸時間測量及計算部分，由超聲波傳輸時間測量及計算部分處理并輸出沿順流和逆流方向傳播的超聲波傳輸的時間差，該時間差信號發(fā)送到單片機控制部分進行處理并計算，得出流體的流量。本發(fā)明流量計安裝方便、壓力損失小、精確度高、成本低。
【專利說明】
基于單片機解決方案的超聲波流量計

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種計量儀器，尤其涉及一種基于單片機解決方案的超聲波流量計。

【背景技術】
[0002]準確地進行液體和氣體流量測量是企業(yè)部門進行經濟分析，降低運行成本的關鍵一環(huán)，直接地影響著一個企業(yè)的經濟效益，倍受供需雙方關注。隨著世界能源供求日益緊張，人們十分關心并尋求一種精度高、適應性強的流量計來測量液體和氣體流量，以維護企業(yè)的利益。當前工業(yè)上最常見的大口徑管道液體和氣體流量計以孔板流量計最為廣泛，一般的小口徑管道和家庭燃氣管道氣體流量計和自來水管道以腰輪式和渦輪式最為常見。在工業(yè)生產中，經常需精確測量和控制流體的流速和流量，而傳統的接觸式流量計，如電磁流量計、渦輪流量計、孔板差壓流量計、渦街流量計等，均不同程度的受到介質的壓力、磨損、腐蝕、污染等因素的影響，同時安裝要破壞管道，維護困難，維護費用高。
[0003]鑒于上述缺陷，實有必要設計一種基于單片機解決方案的超聲波流量計。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題在于:提供一種基于單片機解決方案的超聲波流量計，這種流量計安裝方便、壓力損失小、精確度高、成本低。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:
[0006]一種基于單片機解決方案的超聲波流量計，其包括單片機控制部分、超聲波發(fā)射和采集部分、超聲波傳輸時間測量及計算部分，所述超聲波發(fā)射和采集部分包括能夠沿流體的順流和逆流方向發(fā)射和接收超聲波的超聲波換能器，所述超聲波換能器將其接收到的超聲波信號發(fā)送到超聲波傳輸時間測量及計算部分，由超聲波傳輸時間測量及計算部分處理并輸出沿順流和逆流方向傳播的超聲波傳輸的時間差，該時間差信號發(fā)送到單片機控制部分進行處理并計算，得出流體的流量。
[0007]采用上述技術方案，本發(fā)明的超聲波流量計具有如下有益效果:(1)測量的分辨率高，能識別非常小的流量；(2)可靠性好，超聲波回波測量更加穩(wěn)定可靠；(3)量程比寬，始動流量非常小，微小變化可以獲知；(4)壽命長，盡管測量速度很快，還是可以擁有非常長的使用壽命；(5)無活動部件，不影響了流體特性，測量性能更加優(yōu)越；(6)更換非常靈活，更換非常簡單，無需斷管網。
[0008]進一步地，所述超聲波換能器包括順流換能器和逆流換能器，所述順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側并在流體管線方向上相距一定的距離，所述順流換能器和逆流換能器均由發(fā)射探頭和接收探頭組成。
[0009]進一步地，所述超聲波換能器為沿流體的順流和逆流方向輪流交替發(fā)射和接收超聲波的一組超聲波換能器。
[0010]進一步地，所述超聲波發(fā)射和采集部分包括載頻振蕩器、調制器、驅動器、接收放大器、超聲波傳輸時間限定部分、解調器、及放大器。
[0011]進一步地，所述載頻振蕩器產生的載頻在調制器中被本質振蕩頻率調制。
[0012]進一步地，所述載頻振蕩器、調制器、驅動器、超聲波傳輸時間限定部分、接收放大器、解調器組成廣義的振蕩器反饋網絡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明流量計一實施例的原理示意圖。
[0014]圖2是超聲波發(fā)射和采集部分組成圖。
[0015]圖3是單芯片控制部分組成框圖。
[0016]圖4是本發(fā)明流量計時差法計算原理示意圖。
[0017]圖中主要元件符號說明:
[0018]單片機控制部分10 超聲波發(fā)射和采集部分20
[0019]驅動器3 超聲波傳輸時間測量及計算部分30
[0020]傳輸時間限定部分 4 接收放大器5
[0021]解調器6 載頻振蕩器7
[0022]頻率測試與計算單元 8

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]如圖1至圖4所示，為符合本發(fā)明的一種基于單片機解決方案的超聲波流量計，其包括單片機控制部分10、超聲波發(fā)射和采集部分20、超聲波傳輸時間測量及計算部分30。本發(fā)明采用的是利用檢測流體流動時對順流和逆流兩個方向上發(fā)射的超聲超聲波傳輸的時間差來測量流體的流量。超聲波換能器包括順流換能器和逆流換能器，兩組超聲波換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，流體管線的內直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L，超聲波順流速度為tu，逆流速度為td，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為0。
[0025]超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關。相對于固定座標系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實現流量(流速)測量，首先需要有一個發(fā)射超聲波的發(fā)射探頭，通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發(fā)射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波(即超聲波)。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對面的接收探頭接受。接收探頭則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉換高頻的電脈沖信號。圖1中的順流換能器是由發(fā)射探頭Tl.up和接收探頭Tl.dn組成；逆流換能器是由發(fā)射探頭T2.up和接收探頭T2.dn組成。
[0026]如圖2所示的超聲波發(fā)射和采集部分，調制可以采用調頻和調幅的方式。調頻方式:載頻振蕩器7產生的載頻在調制器2中被本質振蕩頻率f調制；驅動器3的作用是保證超聲波信號發(fā)射探頭Tup能得到符合要求的能量；接收放大器5的作用是將超聲波接收探頭Tdn輸出的信號加以放大，并保證阻抗的匹配；發(fā)射探頭Tup、接收探頭Tdn與其間的流體介質組成傳輸時間限定部分4。解調器6的作用是將整個振蕩器的本質振蕩頻率f解調還原出來，并送到放大器I的輸入端，保證振蕩器在f頻率上穩(wěn)定工作。超聲波信號連續(xù)發(fā)送，圖2中分別示出本質振蕩頻率1、載頻頻率II和調制后頻率III的波形；超聲波發(fā)射探頭Tup、接收探頭Tdn、測量管段等組成超聲波傳輸時間限定部分4。超聲波傳輸時間限定部分4具有選頻特性，當輸入信號頻率f=l/t時，輸入輸出信號的相位差為零，實際為2π。載頻振蕩器7、調制器2、驅動器3、超聲波傳輸時間限定部分4、接收放大器5、解調器6組成廣義的振蕩器反饋網絡。廣義的振蕩器反饋網絡的輸入輸出特性，即頻率特性，完全等同于超聲波傳輸時間限定部分4的輸入輸出特性。用放大器I的輸出頻率信號f調制載頻fo，是為了保證加在超聲波探頭上的驅動信號頻率落在探頭的工作頻率范圍之內，使超聲波探頭工作在良好的狀態(tài)。兩放大器I的輸出端連接到同一頻率測試與計算單元8上，計算兩個超聲波傳輸的時間差，并將該時間差輸出到單片機控制部分10進行處理、計算、顯示流體的流量。
[0027]圖3所示是單片機控制部分的組成，通過該單片機，可以完成超聲時差檢測、溫度檢測、壓力檢測、流量計算、液晶顯示控制、數據存儲、遠程通信(有線及無線)等各種全數字式儀表必備功能。
[0028]本發(fā)明另一實施例，可以輪流交替地利用同一組超聲波換能器既發(fā)射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收脈沖壓力波，可以用一組超聲波換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。
[0029]介質(液體)在管道中流速，與超聲波沿介質順流和逆流傳播的時間差存在著線性關系。只要分別測量出超聲波順流、逆流的傳播時間，就可以依據線性關系得到沿管道路徑上各點流速的瞬時平均流速。這樣，介質流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數等得到。
[0030]當超聲波束在液體中傳播時，流體的流動將使傳播時間產生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，由此可求出液體的流速。
[0031]以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明創(chuàng)造的實施范圍。凡依本發(fā)明創(chuàng)造申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于，包括單片機控制部分、超聲波發(fā)射和采集部分、超聲波傳輸時間測量及計算部分，所述超聲波發(fā)射和采集部分包括能夠沿流體的順流和逆流方向發(fā)射和接收超聲波的超聲波換能器，所述超聲波換能器將其接收到的超聲波信號發(fā)送到超聲波傳輸時間測量及計算部分，由超聲波傳輸時間測量及計算部分處理并輸出沿順流和逆流方向傳播的超聲波傳輸的時間差，該時間差信號發(fā)送到單片機控制部分進行處理并計算，得出流體的流量。
2.如權利要求1所述的基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于:所述超聲波換能器包括順流換能器和逆流換能器，所述順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側并在流體管線方向上相距一定的距離，所述順流換能器和逆流換能器均由發(fā)射探頭和接收探頭組成。
3.如權利要求1所述的基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于:所述超聲波換能器為沿流體的順流和逆流方向輪流交替發(fā)射和接收超聲波的一組超聲波換能器。
4.如權利要求1所述的基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于:所述超聲波發(fā)射和采集部分包括載頻振蕩器、調制器、驅動器、接收放大器、超聲波傳輸時間限定部分、解調器、及放大器。
5.如權利要求4所述的基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于:所述載頻振蕩器產生的載頻在調制器中被本質振蕩頻率調制。
6.如權利要求5所述的基于單片機解決方案的超聲波流量計，其特征在于:所述載頻振蕩器、調制器、驅動器、超聲波傳輸時間限定部分、接收放大器、解調器組成廣義的振蕩器反饋網絡。
【文檔編號】G01F1/66GK104236647SQ201310530173
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權日:2013年10月30日
【發(fā)明者】張逸軒 申請人:安徽恩米特微電子股份有限公司