專利名稱：多聲路時差式超聲波流量計的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于水電站或大型輸水、供水工程中監測大口徑流道 內水流量的多聲路時差式超聲流量計，其采用一種高精度、超聲波多脈沖測量 技術，將有效提高流量的測量精度。二、 背景技術在我國的大型水電站或大型輸水、供水工程中，需要能監測大型流道內水 流量的多聲路時差式超聲波流量計。目前國內、國外已有的多聲路時差式超聲 波流量計，都是采用多個聲路(通道)的發射共用一個發射機，多個聲路(通 道)的發射信號、接收信號是通過繼電器來切換的，由于繼電器的閉合或斷開 需要消耗一定的延時(10ms級的延時)，就限制了超聲波發射與接收的多脈沖 測量；另外，多個聲路(通道)共用一個發射機， 一方面，限制了超聲波多脈 沖測量；另一方面，因發射機的發射電壓往往較高(400V或1000V脈沖信號)， 如果發射機發生故障，所有聲路(通道)都將無法工作。繼電器作為聲路切換 器件，其動作次數是有限的，動作次數為108數量級，如切換過快其工作壽命及 可靠性都將降低。另外，水銀繼電器安裝位置有方向性， 一般需豎直放置才能 工作，不符合環保要求等缺陷，國際上已逐步停產。由于大型流道流量測量場合大部分平直段較短，流道內呈現脈動流狀態， 流速分布在空間及時間上都是變化的。目前國內、國外巳有的多聲路時差式超 聲波流量計，由于繼電器10ms級的延時，不能在同一時刻對一個聲路的正向和 逆向傳播時間進行測量；而且聲路越多延時也越大，這樣就先法在同一時刻對 流道內的流速分布進行采樣，造成了測量精度無法有效提高的問題。例如，一 臺8聲路流量計，繼電器延時高達160ms,若流速為10米/秒時，采樣初期的 "流速分布剖面"已前行1.6米。實際上通過觀察可以發現，即使釆用了多達 8個聲路，測量數據仍然波動很大，需經長時間平均才能穩定，而長時間平均 又會降低流量計的動態響應性能。三、 實用新型內容針對上述現有技術中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供 一種采用并行多發射機，即每個通道以及每個通道的正逆向都有發射機，并采3用超聲波多脈沖發射與接收的流量計硬件，以提高超聲波流量計測量傳播時間 的精度，從而提高超聲波流量計整體的流量測量精度。為了解決上述技術問題，本實用新型所述的多聲路時差式超聲波流量計， 它包括上游換能器、下游換能器、發射機、接收機、控制單元及顯示單元，所 述上游換能器和下游換能器分別設在各個大口徑流道的上游及下游通道內，并 與發射機及接收機相連，發射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現 控制，其特征是每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發射機及一個 獨立的接收機相連，且各發射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。上述控制單元包括微處理器(UP)及控制電路、發射及接收切換電路、帶 通濾波及自動增益控制電路、高速波形釆樣電路、計數器和晶振時基電路，微 處理器(UP)及控制電路分別與發射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益控 制電路、高速波形采樣電路、計數器相連，發射及接收切換電路通過譯碼總線 與各發射機及接收機相連進行時序控制，來自各接收機的信號接入帶通濾波及 自動增益控制電路迸行處理后再輸入高速波形采樣電路進行采樣，帶通濾波及 自動增益控制電路和發射及接收切換電路還與計數器連接實現停止和啟動計數 器，晶振時基電路與計數器連接提供脈沖時間基準。本實用新型用于監測大型流道的流量，多個聲路(通道)測量使用并行的 高壓脈沖發射機微處理器(UP)及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發射機， 來對不同聲路(通道)及不同聲路(通道)中的方向(正向或逆向)進行操作。 即每個通道的正、逆向有各自的發射機及相應的接收電路。由于發射機之間的 切換沒有使用繼電器，因此發射機之間的切換時間很小(切換時間在微秒級)； 這樣可以用多脈沖技術，對各個通道進行多次測量，從而提高測量超聲波傳播 時間的精度。由于流道內流速分布在空間及時間上的變化具有相當大的不確定性，流量 測量實際上是一個統計的球程，通過多脈沖技術，大量采樣數據進行統計平均， 才能獲得髙精度。另外，接收信號中不可避免會出現隨機噪聲，采用多脈沖技 術也有利于消除噪聲的干擾。多脈沖技術還有一個優點，就是在流道內存在泥 沙或氣泡等阻礙超聲波脈沖傳播的物體的情況下，能有效克服信號丟失現象。因此，多聲路時差式超聲波流量計具有對各個測量聲路同時進行"零時延" 測量，且能在短時間內大量采集數據進行統計平均的多脈沖技術，可以有效提高流量計的測量精度。四、
圖1是本實用新型一個實施例的結構示意框圖， 圖2是測量周期流程圖。五具體實施方式
以下結合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例 并不用于限制本實用新型，凡是采用本實用新型的相似結構及其相似變化，均 應列入本實用新型的保護范圍。如圖1所示， 一種多聲路時差式超聲波流量計，它包括上游換能器、下游換 能器、發射機、接收機、控制單元及顯示單元，其中上游換能器和下游換能器 分別設在各個大口徑流道的上游及下游通道內，并與發射機及接收機相連，發 射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現控制，每個上游換能器和下 游換能器都與一個獨立的發射機及一個獨立的接收機相連，且各發射機和接收 機相互并行連接至控制單元并受其控制。控制單元包括微處理器(uP)、發射及 接收切換電路、帶通濾波及自動增益控制電路、高速波形采樣電路、計數器和 晶振時基電路，微處理器(uP)分別與發射及接收切換電路、帶通濾波及自動 增益控制電路、高速波形采樣電路、計數器相連對，發射及接收切換電路通過 譯碼總線與各發射機及接收機相連進行時序控制，來自各接收機的信號接入帶 通濾波及自動增益控制電路進行處理后再輸入高速波形采樣電路進行采樣，帶 通濾波及自動增益控制電路和發射及接收切換電路還與計數器連接實現停止和 啟動計數器，晶振時基電路與計數器連接提供脈沖時間基準。微處理器(uP)及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發射機，來對不同聲 路(通道)及不同聲路(通道)中的方向(正向或逆向)進行操作；并可以用 多脈沖技術，對各個通道進行多次測量，從而提高測量超聲波傳播時間的精度。工作中，微處理器(uP)通過通訊口按一定周期接收顯示單元的數據及命 令，接收到數據及命令后，微處理器(uP)經控制電路，發射及接收切換電路， 生成通道的發射機地址和接收機地址，并啟動發射機發射信號，在啟動發射機 的同時，啟動計數器，對高頻率時基(頻率，80MHz;周期，12.5ns)計數， 例如，對于第一通道當進行正向測量時，譯碼總線選通發射機1和接收機2，此時發射機1發射高壓脈沖至上游超聲波換能器，超聲波便在水中傳播，到達下游換能器，經 接收機2，進入帶通濾波及自動增益控制電路，微處理器(uP)會自動將接收 信號放大到有效的幅值，在信號到達前，自動啟動高速波形采樣，當信號幅度 達到某個域值，停止計數器計數，并通知微處理器(uP)讀取該計數值，讀到 的計數值乘以時基周期即為時間，再扣除電路中的延時，就是超聲波從上游換 能器發射至下游換能器接收到的傳播時間，稱為正向傳播時間。當對第一通道逆向進行測量時，譯碼總線選通發射機2和接收機1，此時 發射機2發射高壓脈沖至上游超聲波換能器，經接收機l，進入帶通濾波及自 動增益控制電路，這樣可以得到超聲波從下游換能器發射至上游換能器接收到 的傳播時間，稱為逆向傳播時間。根據正、逆向傳播時間，可以得到該通道的水流速，以此類推，測出多個 通道的流速，將流速對斷面面積積分，可以計算出斷面流量。圖2是測量周期 流程圖。采樣到的超聲波信號波形，還可以用于換能器的診斷。由于采用了并行發射機，發射機與發射機間的能快速切換，這樣可以連續 不斷地對某個通道或多個通道進行多脈沖循環測量，多次測量可以明顯提高正、 逆向傳播時間的測量精度，從而提高流速的測量精度，亦即可提高流量的測量 精度。本實用新型的工作流程1. 首先，顯示控制單元發送相關數據及命令至UP及控制電路模件。2. UP及控制電路模件收到數據及命令后，進行所有的聲路測量，測量超聲波 傳播時間。每個聲路測量的詳細步驟為> UP通過選擇發射機和對應的接收機,選通某個通道的兩個換能器； >清零傳播時間計數器；>開放脈沖發射機；>發射機發出一個高壓脈沖，驅動發射換能器，同時啟動傳播時間計數；> UP及控制電路根據換能器的發射頻率自動對接收信號濾波以及自動將 接收信號放大的最佳幅值；>根據當前的聲路長度，預估信號到達的時間，并在信號最早可能到達的時間點之前，打開接收電路； >高速采樣接收信號的波形； >檢測接收信號的第一個負半波； >在接收信號到達時，停止傳播時間計數；
>判斷該聲路測量是否準確，接收到的信號是否正常，并置相應狀態標志；
>進行下個聲路的測量； 3、將測量得到的數據上傳到顯示控制單元，顯示單元進行相關的計算，并更新 顯示以及相關的輸出。
權利要求1、一種多聲路時差式超聲波流量計，它包括上游換能器、下游換能器、發射機、接收機、控制單元及顯示單元，所述上游換能器和下游換能器分別設在各個大口徑流道的上游及下游通道內，并與發射機及接收機相連，發射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現控制，其特征是每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發射機及一個獨立的接收機相連，且各發射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。
2、 根據權利要求l所述多聲路時差式超聲波流量計，其特征是所述控制 單元包括微處理器UP及控制電路、發射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益 控制電路、高速波形釆樣電路、計數器和晶振時基電路；微處理器UP及控制電 路分別與發射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益控制電路、高速波形采樣 電路、計數器相連,發射及接收切換電路通過譯碼總線與各發射機及接收機相連 進行時序控制，來自各接收機的信號接入帶通濾波及自動增益控制電路進行處 理后再輸入高速波形采樣電路進行采樣，帶通濾波及自動增益控制電路和發射 及接收切換電路還與計數器連接實現停止和啟動計數器，晶振時基電路與計數 器連接提供脈沖時間基準。
專利摘要本實用新型公開了一種多聲路時差式超聲波流量計，它包括上游換能器、下游換能器、發射機、接收機和控制單元，每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發射機及一個獨立的接收機相連，且各發射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。本實用新型用于監測大型流道的流量，多個聲路測量使用并行的高壓脈沖發射機微處理器及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發射機，來對不同聲路及不同聲路中的正向或逆向進行操作。即每個通道的正、逆向有各自的發射機及相應的接收電路。由于發射機之間的切換沒有使用繼電器，因此發射機之間的切換時間很小；這樣可以用多脈沖技術，對各個通道進行多次測量，從而提高測量超聲波傳播時間的精度。
文檔編號G01F1/66GK201110773SQ20072004536
公開日2008年9月3日 申請日期2007年8月28日 優先權日2007年8月28日
發明者徐春榮, 趙學東 申請人:南京申瑞電氣系統控制有限公司