寧夏隆基寧光儀表股份有限公司 李建煒 李興澤 譚 忠

針對當(dāng)前膜式燃?xì)獗眢w積大、計量精度低、機(jī)械式傳動產(chǎn)生噪音大和傳動機(jī)構(gòu)易老化等缺點，利用Maxim公司的氣體流量系統(tǒng)級芯片MAX35104研究設(shè)計一款超聲波燃?xì)獗?。MAX35104用于超聲波燃?xì)獗碛嬃康哪M前端（AFE），具有高精度的流量測量，支持熱敏電阻和RTD等溫度傳感器，TOF測量功耗低至62Ua。采用此芯片作為流量計量的模擬前端和時差法計量原理設(shè)計的超聲波燃?xì)獗砟軌蛴行У目朔Ｊ饺細(xì)獗淼娜秉c，實現(xiàn)全電子式流量計量。

引言

傳統(tǒng)的機(jī)械式膜腔燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，人工抄表方式極為不便，這些缺點使其發(fā)展應(yīng)用受到了一定的阻礙。電子式膜腔燃?xì)獗硎窃趥鹘y(tǒng)機(jī)械式的基礎(chǔ)上進(jìn)行半電子化改進(jìn)，增加了電子計量功能、顯示功能、預(yù)付費(fèi)和遠(yuǎn)程抄表功能，實現(xiàn)了半電子化。但以上兩種表計的核心計量方式均依靠表內(nèi)機(jī)械機(jī)構(gòu)，機(jī)械磨損造成的計量準(zhǔn)確度的影響無法避免。超聲波燃?xì)獗碛捎谄淙娮訖C(jī)構(gòu)的特點，與以往的機(jī)械表相比在機(jī)械噪音、計量精度、量程、可重復(fù)性以及壽命、維護(hù)上都有著絕對優(yōu)勢。超聲波燃?xì)獗黼m然諸多優(yōu)點，但技術(shù)上難點較大，換能器發(fā)射的信號在氣體中衰減嚴(yán)重，接收方無法有效的得到回波信號。MAX35104模擬前端解決方案內(nèi)部模擬開關(guān)、可配置三級集成運(yùn)算放大器、超低輸入偏移比較器和自動差分飛行時間（TOF）測量法，不僅可以有效的解決信號衰減問題，而且實現(xiàn)了對氣體流量的簡化計算。

1.MAX35104模擬前端介紹

1.1 MAX35104特點

Maxim MAX35104氣體流量計SoC是設(shè)計用于超聲波燃?xì)獗砗歪t(yī)療呼吸機(jī)市場的模擬前端解決方案。芯片具有以下特性：

(1)時間測量精度為700ps，測量范圍至400us，并采用自動差分飛行時間（TOF）測量法，可簡化對氣體流量的計算；

(2)器件的功耗低，在飛行時間測量模式下最低為62uA，在占空比測溫模式下為125nA；

(3)高精度溫度測量，支持PT500、PT1000和熱敏電阻等傳感器；

(4)高度集成，內(nèi)置時鐘，最大程度減少了元件數(shù)并降低了BOM成本；

(5)2.3V至3.6V單電源供電；

(6)工作溫度范圍：-40℃至+85℃；

圖1 MAX35104內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳

1.2 MAX35104功能引腳介紹

MAX35104是一款高集成度的流量計量 芯片，內(nèi)置高壓驅(qū)動電路、模擬開關(guān)、可配置三級集成運(yùn)算放大器、超低輸入偏移比較器以及高精度溫度測量模塊；另具有SPI通信接口，可與任意型號主控MCU實現(xiàn)命令交互。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖如圖1所示。

其中TX_UPP、TX_UPN引腳和TX_DNP、TX_DNN引腳外部各連接一個超聲波換能器，內(nèi)部連接高壓脈沖發(fā)射模塊用于發(fā)射和接收超聲波信號；T1和T2為溫度測量引腳，外接PT1000等溫度傳感器；CMP_OUT/UP_DN引腳用于比較器輸出或者指示順逆流發(fā)射方向；SCK、DOUT、DIN和CE四個引腳為SPI通信接口。

圖2 超聲波燃?xì)獗碚w結(jié)構(gòu)框圖

圖3 MAX35104 Boost電路及補(bǔ)償設(shè)計

圖4 時差法測量原理圖

2.整體設(shè)計方案

一個完整的超聲波燃?xì)獗戆〒Q能器、MAX35104模擬前端、boost電路、顯示電路、電源電路、無線通信電路和MCU主控電路等。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在整個的設(shè)計方案中，MAX35104模擬前端與Boost電路最為重要，決定了整個表計的計量精度與功耗。MAX35104具有一個可編程高壓脈沖發(fā)射模塊，電源電壓采用3.6V的電源時，其用來驅(qū)動換能器的脈沖驅(qū)動電壓可達(dá)到最高30VPP。當(dāng)換能器收到回波信號，經(jīng)過兩個放大器、一個帶通濾波器和一個比較器處理后，得到更為穩(wěn)定的波形，然后進(jìn)行時間數(shù)字換算。為了實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的升壓控制器，MAX35104通過COMP引腳做了環(huán)路補(bǔ)償，如圖3所示。

3.計量原理

本設(shè)計采用的時差法計量原理，也是目前流量計設(shè)計中運(yùn)用較廣泛的一種方法。其原理是通過測量超聲波信號在氣體中的順流方向上的傳播時間t1和逆流方向上的傳播時間t2，然后得到兩個方向上的傳播時間差Δt，利用超聲波傳播的時間差計算氣體流量。超聲波換能器A，B安裝如圖4所示，L表示超聲波傳播路徑長度，與流體流向夾角為α，流體速度為V，管道直徑為D，超聲波在流體中的傳播速度為C。

故得到順流方向超聲波傳播時間td的計算公式為：

逆流方向超聲波傳播時間tu的計算公式為：

由公式1、2可推導(dǎo)出流體的流速v的表達(dá)式為：

如果氣體的瞬時流量為Q，管道的橫截面積為S，則可得到：

式4中的K為儀表系數(shù)，該系數(shù)的確定需要跟標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)確定。

根據(jù)超聲波燃?xì)獗砉δ芤螅浖O(shè)計主要分為：主程序模塊、時間測量模塊、定時中斷模塊、顯示程序、按鍵程序設(shè)計和低功耗模塊，具體流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4.結(jié)論

基于MAX35104模擬前端的超聲波燃?xì)獗?，能夠?zhǔn)確的接收回波信號，測量飛行時間與溫度，為民有燃?xì)夂托∫?guī)模工業(yè)燃?xì)庥嬃刻峁┝艘环N價格低廉、體積小，使用安全可靠的一種新的手段；也為燃?xì)獗砣娮踊峁┝丝赡埽瑸閷崿F(xiàn)燃?xì)獗戆礃?biāo)準(zhǔn)狀況下的結(jié)算和電子遠(yuǎn)傳提供了方便。