四聲道超聲波流量計收發(fā)電路設計

    超聲波是由機械振動(dòng)產(chǎn)生的，具有束射特性、振動(dòng)頻率高、波長(cháng)短、定向傳播、高穿透能力，超聲波流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)時(shí)對超聲波束的作用測量流體流量的儀表。利用超聲波測量流速、流量的技術(shù)在醫療、海洋觀(guān)測、河流特別是工業(yè)管道的各種測試中有著(zhù)廣泛的應用。它不但可以用于液體、液固兩相流的測量，而且可以用于氣體流量的測量，在測量氣體領(lǐng)域，應用最廣泛的測量方法是時(shí)差法。時(shí)差法超聲波流量計是通過(guò)測量超聲波信號在氣體中順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)反映流體流速的，它具有運行穩定、非接觸測量、計量準確可靠、無(wú)壓力損失、儀表的運算和顯示精度較高、節約能源等特點(diǎn)，是一種非常理想的節能型流量計。本文著(zhù)重介紹超聲波氣體流量計驅動(dòng)及回波電路的設計。

    1 超聲波流量計工作原理

    時(shí)差法超聲波流量計工作原理如圖1所示。

    在有流體流過(guò)的管道壁有兩個(gè)成一定夾角的超聲波傳感器，設流體流速為V，管道直徑為D，兩傳感器的直線(xiàn)距離為L(cháng)，傳感器與管道法線(xiàn)的夾角為θ，超聲波在靜止的流體中的速度為C[1]：

    一束超聲脈沖經(jīng)流體傳播，其計時(shí)聲程為

      （1）

    順流的時(shí)間為

     （2）

    逆流的時(shí)間為

      （3）

    由式（1）、（2）、（3）推導計算出流體的流速V：

     （4）

    在1個(gè)小時(shí)內流過(guò)管道的流量為F：

      （5）

    由上面推導計算可知，只要通過(guò)精確的計時(shí)系統對t_AB，t_BA進(jìn)行采樣，即可測得流體流量。本系統后期采用FPGA對t_AB，t_BA進(jìn)行采樣。

圖1 超聲波流量計原理圖

    2 驅動(dòng)電路設計

    超聲波驅動(dòng)電路是要產(chǎn)生一個(gè)具有一定頻率、一定脈沖寬度和一定輸出功率的電脈沖去激勵超聲波傳感器，再由傳感器轉為超聲波向外發(fā)射。本系統主要是應用于測量氣體的超聲波流量計，所采用的超聲波傳感器為美國Airmar公司的ATK200，此超聲波傳感器工作頻率為200kHz。

    2.1 驅動(dòng)信號產(chǎn)生及光耦隔離設計

    本系統超聲波傳感器驅動(dòng)信號是由微處理器產(chǎn)生的，微處理器產(chǎn)生一個(gè)與傳感器壓電振子諧振基頻相等的交流信號，即產(chǎn)生一個(gè)200kHz的矩形脈沖信號。根據傳感器的特點(diǎn)，該矩形脈沖信號其占空比為2%。如圖2所示。

圖2 超聲波傳感器激勵信號

    在傳感器的驅動(dòng)電路板上有高壓驅動(dòng)電路及繼電器切換電路，由微處理器產(chǎn)生的數字驅動(dòng)信號需先經(jīng)光耦隔離后方可進(jìn)入后面的功率放大電路，本系統采用高速的光耦隔離器6N137，其輸入輸出的典型傳輸延遲時(shí)間為60ns，輸入輸出之間的隔離電壓為2500V。6N137光耦隔離電路如圖3所示。

圖3 光耦隔商電路

    2.2 功率放大電路及高頻脈沖變壓器

    超聲波傳感器要把電能轉變?yōu)槌�聲波能量，必須對其提供足夠功率的超聲頻率的交流信號。在傳感器的壓電晶體的耐壓范圍內，壓電晶體產(chǎn)生的超聲波強度隨著(zhù)激勵電壓的增大而增強。本系統由晶體管2N3904和3N3906組成的推挽式電路及快速轉換N溝道增強型功率場(chǎng)效應管IRFZ44組成功率放大電路，最后經(jīng)過(guò)高頻脈沖變壓器進(jìn)一步抬高電壓以更好地驅動(dòng)傳感器發(fā)射超聲波信號[2]。在本系統中高頻變壓器采用磁芯為罐狀錳鋅軟磁鐵氧體，其最大磁通密度為Bm=0.025T，有效截面積為S=0.429cm²（18mm×11mm），初級線(xiàn)圈為直徑0.65mm漆包銅線(xiàn)繞制，匝數為4，次級線(xiàn)圈為直徑0.16mm漆包銅線(xiàn)繞制，匝數為160。初次級匝數比為1∶40，這樣升壓后的交變電壓峰值在480左右，在壓電晶體的耐壓范圍內。電路圖如圖4所示。

    2.3 多路開(kāi)關(guān)設計

    本系統是四聲道超聲波流量計的設計，多路開(kāi)關(guān)的設計是用以切換一對超聲波傳感器的發(fā)射，接收電路之間的連接，以及對四對超聲波傳感器電路的轉換。本系統采用多路模擬開(kāi)關(guān)MAX307和繼電器TQ2-12V相結合來(lái)實(shí)現設計要求。

    MAX307工作在雙電源電壓條件下，其通道導通電阻為60Ω左右，任何端口的持續電流最大可達30mA，瞬間峰值電流最大可達100mA。通道導通閉合時(shí)間僅為幾十納秒。MAX307是雙路八通道模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)選通信號EN，A0，A1，A2，控制信號通道與公共端COMA，COMB的選通，邏輯表如表1所示。

    TQ2-12V是工作在電壓為12V的條件下。在其正常工作條件下，繼電器的導通線(xiàn)圈電阻為1440Ω，電流為8.3mA，線(xiàn)圈導通閉合時(shí)間最大不超過(guò)3ms。其機械壽命大于1億次，電氣壽命大于20萬(wàn)次。TQ2-12V原理圖如圖5所示，當繼電器上電工作時(shí)，3腳、8腳分別與2腳、9腳斷開(kāi)，同時(shí)分別與4腳、7腳閉合。

圖5 繼電器原理圖

    電路設計如圖6、圖7所示。由于受到繼電器的壽命限制，需要定期地對其更換。在此本系統將電路設計在兩塊電路板上，圖6為MAX307模擬開(kāi)關(guān)通道電路（圖中只畫(huà)出四通道中的一通道，其他三個(gè)通道連接方式相同）；圖7為繼電器專(zhuān)用電路板（圖中只畫(huà)出其中一通道，其他三通道連接方式相同）；其通過(guò)雙列插針JP0及單列插針JP9嵌套在圖6的電路板上，隨時(shí)可插入或拔出。MAX307的雙路通道，COMA路用以控制選擇8個(gè)繼電器的工作，COMB路用以控制選擇相應的8個(gè)傳感器的信號接收。來(lái)自微處理器的控制選通數字信號J10的1-4腳，經(jīng)過(guò)光耦隔離器TLP521-4后進(jìn)入MAX307的EN，A0，A1，A2對通道進(jìn)行控制。圖6中，“IN”接經(jīng)過(guò)變壓器升壓后的驅動(dòng)電路，圖中的JP11—JP88分別接入8個(gè)傳感器，圖中的“OUT”為超聲波傳感器，接收到的信號接入下一級的信號放大處理電路。圖7中JP1-JP8為8個(gè)繼電器[3]。

    3 接收電路設計

    超聲波接收電路的作用就是將接收傳感器輸出的小信號經(jīng)充分放大濾波處理后得到足夠大足夠干凈的有用信號，以用于后面的調理及控制電路。

    3.1 放大電路設計

    超聲發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波信號，經(jīng)過(guò)管壁和流體，衰減比較大，因此超聲波接收傳感器接收的信號比較微弱，通常只為幾十mV到幾百mV，這時(shí)放大器的噪聲對測量精度的影響也比較大，同時(shí)，由于超聲波流量計中使用的超聲波頻率較高，所以要求運算放大的增益帶寬積要足夠高，因此這一級電路采用低噪聲高速運算放大器。本系統的放大器采用NE5534，其特點(diǎn)如下：低噪聲，3.5nV；雙電源供電范圍為-22V到+22V，典型工作電壓為±5V；增益帶寬積為10M；共模電壓抑制比100dB。其電路設計如圖8所示。

    3.2 帶通濾波電路設計

    在超聲波流量計工作的相關(guān)過(guò)程中，由于振動(dòng)，流動(dòng)的脈沖及工業(yè)現場(chǎng)的管道噪聲和變頻設備的電噪聲等電子干擾，會(huì )引起周期性的信號存在，它將導致在相關(guān)圖上出現周期性波峰，疊加到流動(dòng)噪聲的相關(guān)曲線(xiàn)上，是真實(shí)的渡越時(shí)間對應的波峰不明顯，甚至被其他的波峰掩蓋，無(wú)法得到正確的測量結果。在本系統采用低噪聲高速運算放大器放大后還需要對信號進(jìn)行帶通濾波。本系統采用MAXIM公司的有源連續時(shí)間帶通濾波器MAX275芯片對信號進(jìn)行帶通濾波[4]。

    MAX275使用±5V電源，電源電流不超過(guò)30mA，片內硬件由四個(gè)運算放大器及若干電阻電容組成。每?jì)蓚�(gè)運算放大器構成一個(gè)二階節，每個(gè)二階節的中心頻率FO，轉折頻率，品質(zhì)因數Q，放大倍數都由四個(gè)外部電阻確定，不需外接電容。通過(guò)外接電阻的不同組合形式可以實(shí)現巴特沃思、切比雪夫、貝賽爾型的低通、帶通濾波器。濾波器的中心頻率從100Hz～300kHz；增益帶寬積為16MHz。由MAX275組成的濾波電路具有外接元件少，結構簡(jiǎn)單，參數調整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點(diǎn)。由于沒(méi)有外接電容，而且是單片結構，因而高頻場(chǎng)合時(shí)受分布電容的影響較小。其電路設計如圖9所示，MAX275用做帶通濾波器時(shí)其中心頻率F_O、Q值及放大倍數H_OBP由外接電阻R1、R2、R3、R4決定。當中心頻率F_O、Q值及增益H_OBP確定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到；

    其中，的值是由管腳FC的連接方式?jīng)Q定的，在此將FC管腳接地，取值為�？紤]到電阻選擇的可行性，取R₃=24kΩ，推導計算得品質(zhì)因數Q=12。根據公式，FH為帶通濾波器的上限頻率， FL為帶通濾波器的下限頻率，當Q=12時(shí)，帶通濾波器的帶通寬度為16.6kHz，滿(mǎn)足系統設計要求。本系統中帶通濾波器的增益H_OBP=1。即外圍電阻的取值為R1=24kΩ，R2=10kΩ，R3=24kΩ，R4=5kΩ。

    3.3 信號調理控制

    超聲波接收傳感器接收的微軟信號經(jīng)過(guò)前面放大濾波電路后，即可對超聲波信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)，電壓比較器，AGC自動(dòng)增益控制，A/D轉換電路后進(jìn)入微處理器，即可獲得需要的測量數據。

    4 結語(yǔ)

    本系統中，超聲波信號經(jīng)過(guò)放大濾波后得到的信號如圖10所示，從圖中能得到干凈清晰的超聲波信號用以下一級的信號處理。