一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路
阅读：575发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供一种能够减小零点误差和漂移的 超 声波 流量测量 电路 ，在第一发射电路和第一换能器之间增加第一发射匹配 电阻 ；在第二发射电路和第二换能器之间增加第二发射匹配电阻；并在接收 放大器 和模拟 开关 之间增加接收匹配电阻，且第一发射匹配电阻、第二发射匹配电阻和接收匹配电阻相等，大于或等于第一换能器和第二换能器的等效电阻的五倍，本 发明 通过匹配发射电路和接收电路的等效阻抗来改善测量系统对称性，进而使得顺流测量和逆流测量时，测量装置的整体电路是对称的，从而减小了零点误差和零点随 温度 漂移，提高了测量结果的准确性和 稳定性 。，下面是一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路专利的具体信息内容。
1.一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路，其特征在于，应用于超声波流量测量装置，所述超声波流量测量装置包括：触发电路(6)、第一发射电路(1)、第二发射电路(2)、第一换能器(A)、第二换能器(B)、测量管(7)、模拟开关(3)、接收放大器(4)和测量电路(8)；
所述能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路包括：
所述第一发射电路(1)、所述第二发射电路(2)和所述接收放大器(4)；
串联于所述第一发射电路(1)和所述第一换能器(A)之间的第一发射匹配电阻(ROUT1)；
串联于所述第二发射电路(2)和所述第二换能器(B)之间的第二发射匹配电阻(ROUT2)；
串联于所述模拟开关(3)和所述接收放大器(4)之间的接收匹配电阻(RIN)；
其中，所述第一发射匹配电阻(ROUT1)、所述第二发射匹配电阻(ROUT2)和所述接收匹配电阻(RIN)相等，且大于或等于所述第一换能器(A)和所述第二换能器(B)的等效电阻的五倍。
2.根据权利要求1所述的超声波流量测量电路，其特征在于，所述第一发射匹配电阻(ROUT1)、所述第二发射匹配电阻(ROUT2)和所述接收匹配电阻(RIN)为330Ω或510Ω。
3.根据权利要求1所述的超声波流量测量电路，其特征在于，所述第一发射匹配电阻(ROUT1)、所述第二发射匹配电阻(ROUT2)和所述接收匹配电阻(RIN)结构相同。
4.根据权利要求3所述的超声波流量测量电路，其特征在于，所述第一发射匹配电阻(ROUT1)、所述第二发射匹配电阻(ROUT2)和所述接收匹配电阻(RIN)均包括一个电阻。
5.根据权利要求3所述的超声波流量测量电路，其特征在于，所述第一发射匹配电阻(ROUT1)、所述第二发射匹配电阻(ROUT2)和所述接收匹配电阻(RIN)均包括多个电阻，多个所述电阻串联和/或并联。
6.根据权利要求1所述的超声波流量测量电路，其特征在于，所述超声波流量测量电路为频差式超声波流量测量电路。
7.根据权利要求6所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述测量电路(8)包括：比较器(5)和频差测量电路(Fc)；
所述比较器(5)的输入端与所述接收放大器(4)的输出端相连；
所述比较器(5)的输出端分别与所述频差测量电路(Fc)的输入端和所述触发电路(6)的输入端相连；
所述频差测量电路(Fc)的输出端作为所述频差式超声波流量测量装置的频差信号输出端。
8.根据权利要求1所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述超声波流量测量装置为时差式超声波流量测量装置。
9.根据权利要求8所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述测量电路(8)包括：比较器(5)、测时电路(Tc)和脉冲源(S)；
所述比较器(5)的输入端与所述接收放大器(4)的输出端相连；
所述比较器(5)的输出端与所述测时电路(Tc)的输入端相连；
所述测时电路(Tc)的输出端与所述脉冲源(S)的输入端相连；
所述脉冲源(S)的输出端与所述触发电路(6)的输入端相连；
所述测时电路(Tc)的输出端作为所述时差式超声波流量测量装置的时差信号输出端。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述超声波流量测量装置为流量计、热量表、水表或燃气表。
一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路
技术领域
背景技术
[0002] 超声波测量流量的方法有多种，包括时差法、频差法和相差法，如图1所示，为现有技术中频差式超声波流量测量装置结构示意图；频差式超声波流量测量装置包括：发射电路01和发射电路02，分别用于驱动换能器A或B发射超声波信号；模拟开关03，用于切换超声波信号输入；比较器04用于将超声波模拟信号转换成数字信号；触发电路05用于触发发射电路01或发射电路02发射电脉冲；频率测量电路06，输出顺逆流频率。
[0003] 在频差法超声流量测量系统中，通过测量超声信号在流体中顺流和逆流的传播频率之差△f而得到流体的流量。因此，对频率差的测量直接决定了流量测量的性能。
[0004] 在实际测量中，当流体静止，即流速V＝0时，而测量的频率差并不为零，称为零点频率差，用△fZ表示；当流体流动，即流速V＞0时，△fZ就会附加到流量测量结果中，由此产生的测量误差称为“零点误差”。零点频率差的大小决定了流量测量下限，而零点误差的大小则决定了流量测量精度，若想减小零点误差就必须减小零点频率差。
[0006] 然而，在流体温度变化较大的场合，超声流量换能器特性会随着温度发生改变，从而引起标定的零点△fZ随温度漂移。温度漂移不仅会严重影响测量结果的稳定性，还会使标定的零点无效。因此，减小测量系统的零点误差和零点漂移，是超声流量测量中亟待解决的问题。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明提供一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路，以解决现有技术中的超声波流量测量电路存在较大的“零点误差”及“零点温度漂移”的问题，影响流量测量的准确度和稳定性的问题。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] 一种能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路，应用于超声波流量测量装置，所述超声波流量测量装置包括：触发电路、第一发射电路、第二发射电路、第一换能器、第二换能器、测量管、模拟开关、接收放大器和测量电路；
[0010] 所述能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路包括：
[0012] 串联于所述第二发射电路和所述第二换能器之间的第二发射匹配电阻；
[0013] 串联于所述模拟开关和所述接收放大器之间的接收匹配电阻；
[0014] 其中，所述第一发射匹配电阻、所述第二发射匹配电阻和所述接收匹配电阻相等，且大于或等于所述第一换能器和所述第二换能器的等效电阻的五倍。
[0015] 经由上述的技术方案可知，本发明提供的能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路中，在第一发射电路和第一换能器之间增加设置第一发射匹配电阻；在第二发射电路和第二换能器之间增加设置第二发射匹配电阻；并在接收放大器和模拟开关之间增加设置接收匹配电阻，且所述第一发射匹配电阻、所述第二发射匹配电阻和所述接收匹配电阻相等，且大于或等于所述第一换能器和所述第二换能器的等效电阻的五倍。
[0016] 通过增加设置发射匹配电阻和接收匹配电阻，且发射/接收匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，使得发射电路和接收电路的电阻主要由发射匹配电阻和接收匹配电阻决定，那么，当发射匹配电阻(包括第一发射匹配电阻和第二发射匹配电阻)与接收匹配电阻相同时，发射电路和接收电路即可具有电阻对称性和测量互易性的关系，从而使得顺流测量和逆流测量时，测量装置的整体电路是对称的，进而减小了零点误差。
[0017] 另外，当流体温度变化较大的时候，即使第一换能器或第二换能器的特性会随着流体温度发生变化，引起零点随温度漂移，由于匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，此时，引起的零点随温度漂移对测量结果的准确性和稳定性相对于现有技术中的测量装置较小，因此，能够在一定程度上提高测量结果的准确性和稳定性。附图说明
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0019] 图1为现有技术中频差式超声波流量测量电路结构示意图；
[0020] 图2为本发明实施例提供的一种超声波流量测量电路结构示意图；
[0021] 图3为本发明实施例提供的一种频差式超声波流量测量电路结构示意图；
[0022] 图4为本发明实施例提供的一种时差式超声波流量测量电路结构示意图；
[0023] 图5a为本发明实施例提供的流体顺流时超声波流量测量电路简化图；
[0024] 图5b为本发明实施例提供的流体逆流时超声波流量测量电路简化图；
[0025] 图6为本发明实施例提供的一种发射电路等效电路图；
[0026] 图7为本发明实施例提供的一种接收电路等效电路图；
[0027] 图8为现有技术提供的一种接收电路等效电路图。
具体实施方式
[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 一个典型的超声波流量测量装置如图1所示。超声换能器A，B分别被安装于测量管段的上游和下游，任意一个换能器发出的超声波信号都能够通过流体传播被另一个换能器接收到。当由换能器A发射，换能器B接收时，超声波顺流体方向传播；反之，当由换能器B发射，换能器A接收时，超声波逆流体方向传播。通过电路测量超声波信号顺流和逆流的传播时间差△t而得到流体流速。△t的测量结果直接决定了流量测量的准确度和稳定性。
[0030] 发明人发现，在现有的超声波流量测量系统中，无论是采用何种测量方法，都存在较大的零点误差和零点漂移问题，这主要是由以下两方面引起的：
[0032] 2.温度变化引起换能器的频率和阻抗发生变化，由此引起零点随温度漂移，零点漂移会改变零点误差的大小。
[0033] 在单通道切换式测量系统中，由于测量顺流和逆流传播时间不是在同一时间进行的，这就会在静水产生零点随机误差，零点随机误差的大小与两个方向上的采样时间长度和测量间隔时间有关。
[0034] 若要减小零点误差、零点漂移和零点随机误差，就需要改善测量系统中的顺流和逆流接收信号波形的一致性，即改进测量电路的对称性。
[0035] 请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种超声波流量测量电路，采用了本发明实施例提供的减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路，其中，超声波流量测量电路包括：触发电路6、第一发射电路1、第二发射电路2、第一换能器A、第二换能器B、测量管7、模拟开关3、接收放大器4和测量电路8，测量电路8作为所述超声波流量测量装置的信号输出端。
[0036] 本发明实施例提供的能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路包括：第一发射电路1、第二发射电路2、接收放大器4，还包括：串联于第一发射电路1和第一换能器A之间的第一发射匹配电阻ROUT1；串联于第二发射电路2和第二换能器B之间的第二发射匹配电阻ROUT2；串联于模拟开关3和接收放大器4之间的接收匹配电阻RIN；其中，第一发射匹配电阻ROUT1、第二发射匹配电阻ROUT2和接收匹配电阻RIN相等，且大于或等于第一换能器A和第二换能器B的等效电阻的五倍。
[0038] 本实施例中提供的能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路，如图2所示，还包括串联于第一发射电路1和第一换能器A之间的第一发射匹配电阻ROUT1；串联于第二发射电路2和第二换能器B之间的第二发射匹配电阻ROUT2；串联于模拟开关3和接收放大器4之间的接收匹配电阻RIN；第一发射匹配电阻ROUT1、第二发射匹配电阻ROUT2和接收匹配电阻RIN相等，且远远大于第一换能器A和所述第二换能器B的等效电阻，本实施例中可选地，大于或等于第一换能器A和第二换能器B的等效电阻的五倍，即可认为是远远大于第一换能器A和所述第二换能器B的等效电阻。
[0039] 本实施例中不限定第一发射匹配电阻ROUT1、第二发射匹配电阻ROUT2和接收匹配电阻RIN的具体形式，三个匹配电阻的结构可以相同，也可以不相同，可以只包括一个电阻，也可以包括多个电阻，多个电阻相互串联或相互并联，或者相互串联后再并联，只要第一发射匹配电阻ROUT1、第二发射匹配电阻ROUT2和接收匹配电阻RIN相等即可。
[0040] 进一步的，本实施例中对所述能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路不做限定，可以是频差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路，也可以是时差式减小零点误差和零点温度漂移的超声流量测量电路，其中，两者不同的是测量电路。
[0041] 请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种频差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路结构示意图，其中，测量电路8包括：比较器5和频差测量电路Fc；比较器5的输入端与接收放大器4的输出端相连；比较器5的输出端分别与频差测量电路Fc的输入端和触发电路6的输入端相连；频差测量电路Fc的输出端作为频差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路的频差信号输出端。
[0042] 请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种时差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路结构示意图，其中，测量电路8包括：比较器5、测时电路Tc和脉冲源S；比较器5的输入端与接收放大器4的输出端相连；比较器5的输出端与测时电路Tc的输入端相连；测时电路Tc的输出端与脉冲源S的输入端相连；脉冲源S的输出端与触发电路6的输入端相连；测时电路Tc的输出端作为时差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路的时差信号输出端。
[0043] 请参考图2-图4所示电路图，在顺流体流动方向：第一发射电路1通过第一发射匹配电阻ROUT1激励第一换能器A发射超声波并在流体中传播，第一发射电路1的等效阻抗ZS顺流＝ROUT1+ZA，其中ZA为第一换能器A的等效阻抗；接收放大器4通过接收匹配电阻RIN接收来自第二换能器B通过模拟开关3的超声波信号，其接收电路4的等效阻抗ZL顺流＝RIN+ZB，其中ZB为换能器B的等效阻抗，这里忽略模拟开关内阻的影响。
[0044] 在逆流体流动方向：第二发射电路2通过第二发射匹配电阻ROUT2激励第二换能器B发射超声波并在流体中传播，其第二发射电路2的等效阻抗ZS逆流＝ROUT2+ZB；接收放大器4通过接收匹配电阻RIN接收来自第二换能器A的超声波信号，其接收放大器4的等效阻抗ZL逆流＝RIN+ZA。
[0045] 无论是顺流还是逆流过程，在两个方向上，发射电路和接收电路的等效阻抗是完全对称的，即ZS顺流＝ZS逆流ZL顺流＝ZL逆流。因此，在流体静止时，通过测量和计算两个方向上的传播频率差△f，其零点足够小到接近或等于0。由于设定的匹配电阻ROUT1＝ROUT2＝RIN，且远大于换能器等效阻抗ZA和ZB。因此，大幅度限制了换能器特性随温度变化的影响，仅有很小的零点漂移，从而提高了测量结果的长期准确性和稳定性。
[0046] 本发明实施例中，通过增加设置发射匹配电阻和接收匹配电阻，且发射/接收匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，使得发射电路和接收电路的电阻主要由发射匹配电阻和接收匹配电阻决定，那么，当发射匹配电阻(包括第一发射匹配电阻和第二发射匹配电阻)与接收匹配电阻相同时，发射电路和接收电路即可具有电阻对称性和测量互易性的关系，从而使得顺流测量和逆流测量时，测量装置的整体电路是对称的，从而降低了零点误差。
[0047] 另外，当流体温度变化较大的时候，即使第一换能器或第二换能器的特性会随着流体温度发生变化，引起零点随温度漂移，由于匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，此时，引起的零点随温度漂移对测量结果的准确性和稳定性相对于现有技术中的测量装置较小，因此，能够在一定程度上提高测量结果的准确性和稳定性。
[0048] 传统的超声波流量测量电路接口很少考虑换能器的电负载问题，通常发射端使用推挽方式发送多电压脉冲，而接收端则直接采用电压比较器，这样就带来一个致命问题：由于发射端的输出阻抗很小，接收端的输入阻抗很大，两者与换能器的阻抗处于严重的失配状态，再加上所用的两个换能器特性不一致，使得这样的系统处于非互易状态，从而引起测量结果存在很大的零点误差和零点温度漂移。
[0049] 即在实际测量中，第一换能器A和第二换能器B两个换能器特性不一致时，在两个方向上的接收信号波形、频率和包络产生差别，由此引起零点偏移；第一换能器A和第二换能器B两个换能器特性随流体的温度变化而变化，就会引起零点随温度偏移。这种零点误差和零点温度漂移就会附加到流量测量结果中，从而产生较大的测量误差。
[0050] 因此，降低超声波流量测量装置的零点误差和零点温度漂移，就必须使第一换能器A和第二换能器B两个换能器特性在相同温度下保持一致，即谐振频率和阻抗保持一致，但从工艺方面讲，几乎是不可能的。实验证明，如果通过匹配发射和接收电路的等效阻抗来改善测量系统的互易性，即可降低对两个换能器特性一致的要求，可以有效降低系统的零点误差和零点温度漂移。
[0051] 本发明实施例中以频差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路工作过程为例对本发明实施例提供的互易电路的具体原理及理论依据进行说明：
[0052] 请参见图5a和图5b，其中，图5a为激励电信号驱动第一换能器A发出超声波信号，由第二换能器B接收这一声信号并转换为电信号的过程，称为“顺流过程”；图5b表示激励电信号驱动第二换能器B发出超声波信号，由第一换能器A接收这一声信号并转换为电信号的过程，称为“逆流过程”。其中，VIN为理想的激励电压源即电压恒定；ZS为发射电路等效阻抗，ZL为接收电路等效阻抗。在这一模型中，由两个换能器和声信号传播路径构成的声学部分被看成是一个两端口的电路网络，带有标号的V和I分别为这一网络上的电压和流进网络的电流。顺流和逆流方向切换是保持声学部分不变，通过将发射电路和接收电路互换位置来实现的。
[0053] 在图5a和5b所示的电路中，存在以下关系：
[0054] ZA＝V1(1)/I1(1),ZB＝V2(2)/I2(2)………………………………………………(1)[0055] ZL＝V2(1)/I2(1)＝V1(2)/I1(2),ZS＝V1(1)/I1(1)＝V2(2)/I2(2)…………………………(2)[0056] VIN＝(ZS+ZA)I1(1),VIN＝(ZS+ZB)I2(2)………………………………(3)
[0057] 其中ZA为第一换能器A的等效阻抗和ZB为第二换能器的等效阻抗；ZS为发射电路的输出阻抗；ZL为接收电路的输入阻抗。在该电路网络中，根据电路中特勒根定理，具有如下关系：
[0058] {V1(1)I1(2)-V1(2)I1(1)}+{V2(1)I2(2)-V2(2)I2(1)}＝0………………………………(4)[0059] 将式(1)、(2)和(3)代入式(4)得
[0060] I1(1)/I1(2)＝(ZS+ZA)(ZL+ZB)/(ZS+ZB)(ZL+ZA)……………………(5)
[0061] 式(5)给出了顺流和逆流接收到的电流信号之比。由此可以看出，当顺逆流接收信号一致，即趋于互易时，接收到的电流信号之比应等于1。
[0062] 由于受到换能器工艺限制，配对成本等因素，实际系统不可能使用完全对称的换能器进行测量，即ZA≠ZB。
[0063] 从式(5)可以进一步看出，当ZS和ZL阻抗满足图5a中ZS和ZL均远大于ZA和ZB，即ZS和ZL均足够大到以至于限制ZA和ZB不相等的影响时，能够使得顺逆流接收信号的比值接近或等于1。
[0064] 对于发射电路，为了能够对发射换能器负载进行匹配，发射电路采用了如图6所示的结构，图6为本发明实施例提供的一种发射电路等效电路图。在发射超声波信号时，以脉冲信号导通N沟道MOS管M1，使用Vcc恒压电源激励发射换能器，以获得较大的驱动能力；在脉冲激励信号之后，发射换能器通过电阻ROUT及P沟道MOS管M2导通，并与地连接，此时忽略MOS管的导通电阻，发射换能器的电负载阻抗ZS＝ROUT。
[0065] 对于接收电路，压电换能器的信号放大电路是由电压放大器改进的电荷放大器构成，如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种接收电路等效电路图。当接收换能器接入电荷放大器9后，其接收换能器两端的等效负载应为：
[0066] ZA(jw)＝(RF-1+jwCIN)-1/(1+AOL(jw))
[0067] 其中，RF为反馈电阻，CIN为反馈电容；在放大器的开环增益AOL(jw)极大的情况下，接收换能器的等效负载为ZL≈0。如果在电荷放大器前面接入电阻RIN，则接收换能器的等效负载ZL＝RIN。由于放大器起到了阻抗转换作用，后面接入的其它电路不会影响ZL值。
[0068] 对于现有的接收电路，接收换能器的回波信号是直接输入到比较器进行检测，如图8所示。由于比较器F的输入阻抗为无穷大，因此无法与换能器的低阻抗进行匹配。
[0069] 如果利用图6和图7所示电路构成模拟测量电路，只要ROUT＝RIN，便可实现发射电路和接收电路互易工作。
[0070] 从图6和图7所示电路来看，选择较低的ROUT可以获得较高的发射功率、接收灵敏度和信噪比。如果选择较高的ROUT可以使式(5)的比值更接近1，这需要权衡互易性和接收灵敏度而做出合理选择。
[0071] 需要说明的是，理论上只有满足ROUT＝RIN，任意选定ROUT的值都能实现系统对称性工作。但是，实际的ROUT选择应考虑到兼顾较高的发射功率、接收灵敏度和低噪声。本发明实施例优先考虑增强对称性，选择ROUT＝RIN＝330Ω或510Ω，以获得更小的零点和零点漂移。这样做虽然减小了接收信号幅度，但可以通过提高放大器增益来解决。
[0072] 因此，本实施例中提供的减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路，通过增加设置发射匹配电阻和接收匹配电阻，且发射/接收匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，使得发射电路和接收电路的电阻主要由发射匹配电阻和接收匹配电阻决定，那么，当发射匹配电阻(包括第一发射匹配电阻和第二发射匹配电阻)与接收匹配电阻相同时，发射电路和接收电路即可具有电阻对称性和测量互易性的关系，从而使得顺流测量和逆流测量时，测量装置的整体电路是对称的，从而降低了零点误差。
[0073] 另外，当流体温度变化较大的时候，即使第一换能器或第二换能器的特性会随着流体温度发生变化，引起零点随温度漂移，由于匹配电阻远远大于第一换能器和第二换能器的等效电阻，此时，引起的零点随温度漂移对测量结果的准确性和稳定性相对于现有技术中的测量装置较小，因此，能够在一定程度上提高测量结果的准确性和稳定性。
[0074] 检验超声流量测量系统中的零点误差和零点温度漂移大小，通常是在静水下进行标定和测量。为了验证电路的对称性设计、零点误差和零点温度漂移，发明人采用图1所示的非互易频差式超声波流量测量电路以及图3所示的互易频差式超声波流量测量电路分别在实际管路上进行了静水下的验证实验。
[0075] 图1中，第一发射电路01和第二发射电路02采用多脉冲直接激励换能器A或换能器B；换能器A和换能器B接收的超声波信号分别通过模拟开关03输入到比较器04进行模拟/数字转换；转换后的数字信号，一路反馈到触发回路05并在比较器04输出端产生顺流或逆流频率信号；另一路通过频差测量电路06输出频差信号。
[0076] 图3中，与图1所示的非互易电路的主要区别在于：第一发射电路1(或第二发射电路2)通过第一发射匹配电阻ROUT1(或第二发射匹配电阻ROUT2)激励第一换能器A(或第二换能器B)，因此发射电路的输出阻抗为ROUT1(或ROUT2)；第二换能器B(或第一换能器A)的接收信号通过模拟开关3、接收匹配电阻RIN、电荷放大器4和比较器5反馈到触发回路6，在比较器输出端产生频率信号；最后通过频差测量电路输出频差信号。
[0077] 实验过程中，图3所示的电路中的匹配电阻ROUT1＝ROUT2＝RIN＝330Ω，第一换能器A和第二换能器B的等效阻抗≤20Ω，由于匹配电阻远大于两个换能器的等效阻抗，所以认为电路是对称的。
[0078] 其中，测量管7的实验管段是V型DN20管段，声道长度＝82mm。换能器是采用R975配对换能器，配对参数为谐振频率、反谐振频率、最小阻抗和最大阻抗，配对误差均为±2％(25℃)。
[0079] 利用图1和图3所示的电路分别进行静水下的零点误差和零点温度漂移试验，实验结果示于表1中。
[0080] 表1在静止流体下的零点及零点温度漂移实验结果
[0081]
[0082] 表1显示了分别采用图1和图3两种不同电路，在两个换能器配对情况下，分别在25℃、50℃、85℃三个温度点上的最大零点和零点漂移值。
[0083] 从表1中可以看出，对于同样的电压激励信号，互易频差式超声波流量测量电路(图3所示的电路)的零点频差△fZ(也即零点误差)远小于非互易频差式超声波流量测量电路(图1所示的电路)的零点频差△fZ(也即零点误差)；两者相差一个量级。而零点漂移△ft也同样相差一个量级。
[0084] 本实施例中提供的互易频差式减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路的电路中，无论是第一换能器A发送超声波，第二换能器B接收，还是第二换能器B发第一换能器A收，接收的信号波形是相同的，也就是说发射和接收电路的等效阻抗(包含换能器特性阻抗)是对称的。因此，在流体静止时，通过计算两个方向上的频率差△f，其零点足够小到等于0，当温度变化较大时，零点仅有很小的漂移；从而提高了流量测量的准确度和稳定性。
[0085] 在非对称的测量系统中，要想获得较低的零点误差，需要对安装在同一管段上的换能器进行严格配对，即要求两个换能器特性一致，配对参数包括谐振频率、反谐振频率、谐振阻抗和反谐振阻抗及静电容，其配对允许误差必须控制在±1％以内，否则，在很宽的温度范围内难以满足最小和最大流量测量精度和稳定性的要求。目前，根据国内流量换能器的生产工艺和技术水平，实现上述配对要求几乎是不可能的，这也是非对称测量系统的致命缺陷。
[0086] 本发明提供的技术方案，降低了对换能器配对的要求，即配对允许误差降低到±5％以内，这对于国内大多数制造商生产的流量换能器均能满足这一配对要求，这也是互易测量系统的优势所在。
[0087] 本发明是基于超声波流量测量电路中的发射电路和接收电路阻抗的对称性和测量互易性的关系，提供一种通过匹配发射电路和接收电路等效阻抗来改善测量电路对称性的能够减小零点误差和零点温度漂移的超声波流量测量电路，其优势至少包括：
[0088] (1)发射电路采用电压激励方式，而接收电路则采用电荷放大器；
[0089] (2)发射电路和接收电路等效阻抗可以根据换能器谐振阻抗灵活设定，易于实现电路阻抗对称；
[0090] (3)通过改变等效阻抗大小，可调整接收信号幅度和包络形状；
[0091] (4)可方便实现对称性自校正测量系统；
[0092] (5)部分或全部对称电路设计适用于所有方法的超声波流量测量系统；
[0093] (6)大幅度降低了零点误差和零点温度漂移；
[0094] (7)换能器的负载阻抗能够根据需要灵活设定；
[0095] (8)降低了对换能器特性配对的要求；
[0096] (9)扩展了最大与最小流量之间的量程比；
[0097] (10)确保了流量测量的长期精度和稳定性。
[0098] 需要说明的是，上面本发明实施例的内容主要是针对频差式超声波流量测量装置进行说明，对于采用其它测量方法的超声波流量测量系统也完全适用，如对于时差式超声波流量测量电路也完全适用，本实施中对此不做赘述，本领域技术人员依据频差式超声波流量测量装置的工作原理及实验结果，可以容易得到图4所示的时差式超声波流量测量装置的实验结果，本实施例中不再说明。
[0099] 本发明实施例提供的减小零点误差和零点温度漂移的超声波发射和接收电路可应用于超声波流量计、超声波热量表、超声波水表、超声波燃气表等，这些应用均涵盖在本发明的保护范围内，本发明对此并不做限定。
[0101] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 利用真空“零点能”实现驱动的量子微型推进器 | 2020-05-11 | 958 |
| 一种能够减小零点误差和漂移的超声波流量测量电路 | 2020-05-11 | 575 |
| 风力发电机的桨叶零点设定方法 | 2020-05-13 | 576 |
| 一种带学习功能的继电器零点灭弧的方法 | 2020-05-11 | 66 |
| 用于家用电器的过零点检测抗干扰方法、装置及家用电器 | 2020-05-13 | 102 |
| 一种微型高性能双零点双模超窄带滤波器 | 2020-05-11 | 654 |
| 一种带学习功能的继电器零点灭弧的方法 | 2020-05-11 | 413 |
| 一种具有机械锁紧双面约束定位功能的零点定位系统 | 2020-05-11 | 471 |
| 具有零点位置检测功能的仿人机器人关节机构 | 2020-05-12 | 675 |
| 高性能带零点有源滤波器 | 2020-05-12 | 353 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈