高原 徐文文

【摘要】在基于時差法的液體超聲波流量計設計中，如何提高換能器激勵信號的靈敏度和穩(wěn)定性是重要環(huán)節(jié)。本文介紹了一種利用MOS 場效應管驅(qū)動器TC4427 構成BTL 驅(qū)動電路，該電路將微控制器發(fā)出的脈沖信號提升峰峰值到30V，明顯提高接收換能器的信號靈敏度和穩(wěn)定度。由于流量計中超聲波換能器為發(fā)送接收一體化傳感器，兩探頭均需在接收和發(fā)送兩種工作模式中切換。本文采用高速模擬開關，讓超聲波換能器根據(jù)工作流程，在發(fā)送傳感器和接收傳感器之間不停切換，以滿足信號測量要求。

【關鍵詞】超聲波流量計;MOS場效應管驅(qū)動器;高速模擬切換開關

超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。超聲波用于測量流體的流速有許多優(yōu)點。和傳統(tǒng)的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。超聲波流量計的測量方法有時差法、多普勒效應法、波束偏移法等、其中時差法的電路最為簡單、使用也最為廣泛。

1.時差法超聲波流量計的原理

時差法超聲波流量計其工作原理如圖1所示。它是利用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波、通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，其關系符合下面表達式：

（1）

其中：θ為聲束與液體流動方向的夾角，M為聲束在液體的直線傳播次數(shù)，D為管道內(nèi)徑，Tup為聲束在正方向上的傳播時間，Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間，ΔT=Tup-Tdown。

圖1 超聲波流量計測量原理

由此可見， 流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量Q可以表示為：

（2）

2.超聲波脈沖信號激勵電路

超聲波信號發(fā)射的驅(qū)動方式一般有高壓單脈沖信號和低壓多脈沖信號兩種。高壓單脈沖信號用升壓變壓器升壓到小于600Vpp的單脈沖信號，主要用于氣體流速的測量。低壓多脈沖信號，用驅(qū)動電路將電壓轉(zhuǎn)換為20～30Vpp的5～10個脈沖信號，主要用于液體流速的測量。

一個典型的雙聲道超聲波流量計信號處理電路框圖如圖2所示。超聲波換能器載波頻率一般為500kHz，1MHz或2MHz。經(jīng)過驅(qū)動電路處理，將微控制器發(fā)出的3.3V或5V脈沖信號轉(zhuǎn)換為15V的脈沖信號，并經(jīng)BTL電路驅(qū)動，形成峰峰值30V的脈沖信號加到超聲波換能器兩端。經(jīng)過介質(zhì)傳播后，另一個超聲波換能器接收到衰減后的超聲波回饋信號，讓后級電路進行后續(xù)處理。這里由于采用的是一體型超聲波換能器，所以兩個傳感器在某一時刻，一個是發(fā)射傳感器，一個是接收傳感器，另一時刻兩個傳感器的作用又進行調(diào)換。所以，需要一個高速低阻的四路模擬開關進行信號的轉(zhuǎn)換。

2.1 信號驅(qū)動電路

為了實現(xiàn)微控制器的脈沖信號電平到15V電平輸出的轉(zhuǎn)換，采用TC4427芯片， 這是一款雙低邊MOS場效應管驅(qū)動器，最大峰值輸出電流為1.5A。該芯片可以將TTL或者CMOS電平信號轉(zhuǎn)換為電源電壓信號電平，電源電壓可在4.5V到18V之間，輸出延時小于40ns。

圖2 信號處理框圖

圖3 信號驅(qū)動電路圖

如圖3所示：引腳1和2、3和4交替出現(xiàn)等幅等頻脈沖信號高低電平， 輸出形成一個BTL驅(qū)動電路， 頻率為輸入引腳的一半，幅度為30V的峰峰值脈沖信號。因為超聲波換能器是一個容性負載，為了提高波形質(zhì)量減小上升沿和下降沿的尖峰脈沖，加入了四個IN4148二極管和四個180Ω的分流電阻進行匹配。

2.2 信號切換和采集電路

本設計通過采用美信半導體的DG403芯片實現(xiàn)信號切換和采集，這是一款四路高速模擬切換開關，開關切換時導通時間只需100～150ns，關斷時間只需60～100ns，導通電阻最大38Ω。

如圖4所示，U13為DG403芯片，在上游超聲波換能器發(fā)射脈沖波形的時候，通過OEC的通道選擇，關斷上游超聲波換能器，導通下游超聲波換能器到輸出端D，通過并聯(lián)一個電容進行阻抗匹配之后，經(jīng)電容去波形直流電壓成分送中U12頻放大器MC1350進行初級放大。微控制器可測出從上游傳感器發(fā)送脈沖到接收到放大后的脈沖的時間間隔Tup即為順流傳播時間。于此類似，下游超聲波換能器發(fā)送脈沖，上游超聲波換能器經(jīng)OEC選擇信號后經(jīng)過匹配電容進行放大處理，可測得逆流傳輸時間Tdown。時間差△T=Tup-Tdown。微控器根據(jù)公式即可計算得出介質(zhì)的流速，并可轉(zhuǎn)換為流量。

3.具體電路調(diào)試

為電路調(diào)試方便，首選固定OEC，也就是先只測某個方向的傳輸時間，當測試穩(wěn)定后再測反方向的傳輸時間。兩個都能測出來的時候，就可以加入定時切換兩者的發(fā)射或接收狀態(tài)。

首先，發(fā)射10個周期的脈沖，然后測試超聲波換能器兩端的電壓信號。如果出現(xiàn)雜波較大，則需調(diào)整匹配電容的參數(shù)，直到觀測到波形較好的30Vpp的10個方波脈沖信號。然后經(jīng)過初級IF 放大芯片MC1350后觀測接收波形，通過示波器看一般幅度較低，略有頻偏。在發(fā)射脈沖信號一定時間后出現(xiàn)若干組回饋信號， 其中只有一組是正確的信號， 其他均為無用的干擾信號或反復折射后的信號。反向測試與上述過程類似。

4.結語

該電路已經(jīng)通過仿真及電路實驗，并已經(jīng)應用于液體超聲波流量計上， 測量實驗室用自PVC管，可測得較為穩(wěn)定的流量數(shù)據(jù)。該超聲波電路根據(jù)選用不同的超聲波換能器， 理論上可測管徑為10～100cm。

參考文獻

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[2]楊景常，劉冬梅.高速切換開關技術在高速數(shù)據(jù)采集電路中的應用[J].電測與儀表，2002（06）.

[3]劉麗珺.基于時差法的超聲波流量測試系統(tǒng)研究[D].浙江理工大學，2010.

基金項目：天地（常州）自動化股份有限公司科研項目（13SY014-01）。

作者簡介：高原（1987—），男，山東日照人，碩士，主要研究方向：自動化控制。