超聲波流量計(jì)信號(hào)激勵(lì)電路研究

高原 徐文文

【摘要】在基于時(shí)差法的液體超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)中，如何提高換能器激勵(lì)信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器TC4427 構(gòu)成BTL 驅(qū)動(dòng)電路，該電路將微控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)提升峰峰值到30V，明顯提高接收換能器的信號(hào)靈敏度和穩(wěn)定度。由于流量計(jì)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(guān)，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(hào)測(cè)量要求。

【關(guān)鍵詞】超聲波流量計(jì);MOS場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器;高速模擬切換開關(guān)

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)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(cè)出流體的流速，從而換算成流量。超聲波用于測(cè)量流體的流速有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表、電磁式流量?jī)x表相比它的計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、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(jì)的測(cè)量方法有時(shí)差法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法等、其中時(shí)差法的電路最為簡(jiǎn)單、使用也最為廣泛。

1.時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理

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

（1）

其中：θ為聲束與液體流動(dòng)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(shí)間，Tdown為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間，ΔT=Tup-Tdown。

圖1 超聲波流量計(jì)測(cè)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(shí)間差成正比。流量Q可以表示為：

（2）

2.超聲波脈沖信號(hào)激勵(lì)電路

超聲波信號(hào)發(fā)射的驅(qū)動(dòng)方式一般有高壓?jiǎn)蚊}沖信號(hào)和低壓多脈沖信號(hào)兩種。高壓?jiǎn)蚊}沖信號(hào)用升壓變壓器升壓到小于600Vpp的單脈沖信號(hào)，主要用于氣體流速的測(cè)量。低壓多脈沖信號(hào)，用驅(qū)動(dòng)電路將電壓轉(zhuǎn)換為20～30Vpp的5～10個(gè)脈沖信號(hào)，主要用于液體流速的測(cè)量。

一個(gè)典型的雙聲道超聲波流量計(jì)信號(hào)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(dòng)電路處理，將微控制器發(fā)出的3.3V或5V脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為15V的脈沖信號(hào)，并經(jīng)BTL電路驅(qū)動(dòng)，形成峰峰值30V的脈沖信號(hào)加到超聲波換能器兩端。經(jīng)過介質(zhì)傳播后，另一個(gè)超聲波換能器接收到衰減后的超聲波回饋信號(hào)，讓后級(jí)電路進(jìn)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(gè)傳感器在某一時(shí)刻，一個(gè)是發(fā)射傳感器，一個(gè)是接收傳感器，另一時(shí)刻兩個(gè)傳感器的作用又進(jìn)行調(diào)換。所以，需要一個(gè)高速低阻的四路模擬開關(guān)進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.1 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

為了實(shí)現(xiàn)微控制器的脈沖信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電源電壓信號(hào)電平，電源電壓可在4.5V到18V之間，輸出延時(shí)小于40ns。

圖2 信號(hào)處理框圖

圖3 信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)高低電平， 輸出形成一個(gè)BTL驅(qū)動(dòng)電路， 頻率為輸入引腳的一半，幅度為30V的峰峰值脈沖信號(hào)。因?yàn)槌暡〒Q能器是一個(gè)容性負(fù)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(gè)IN4148二極管和四個(gè)180Ω的分流電阻進(jìn)行匹配。

2.2 信號(hào)切換和采集電路

本設(shè)計(jì)通過采用美信半導(dǎo)體的DG403芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換和采集，這是一款四路高速模擬切換開關(guān)，開關(guān)切換時(shí)導(dǎo)通時(shí)間只需100～150ns，關(guān)斷時(shí)間只需60～100ns，導(dǎo)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(shí)候，通過OEC的通道選擇，關(guān)斷上游超聲波換能器，導(dǎo)通下游超聲波換能器到輸出端D，通過并聯(lián)一個(gè)電容進(jìn)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(jìn)行初級(jí)放大。微控制器可測(cè)出從上游傳感器發(fā)送脈沖到接收到放大后的脈沖的時(shí)間間隔Tup即為順流傳播時(shí)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(hào)后經(jīng)過匹配電容進(jìn)行放大處理，可測(cè)得逆流傳輸時(shí)間Tdown。時(shí)間差△T=Tup-Tdown。微控器根據(jù)公式即可計(jì)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(cè)某個(gè)方向的傳輸時(shí)間，當(dāng)測(cè)試穩(wěn)定后再測(cè)反方向的傳輸時(shí)間。兩個(gè)都能測(cè)出來的時(shí)候，就可以加入定時(shí)切換兩者的發(fā)射或接收狀態(tài)。

首先，發(fā)射10個(gè)周期的脈沖，然后測(cè)試超聲波換能器兩端的電壓信號(hào)。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(cè)到波形較好的30Vpp的10個(gè)方波脈沖信號(hào)。然后經(jīng)過初級(jí)IF 放大芯片MC1350后觀測(cè)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(hào)一定時(shí)間后出現(xiàn)若干組回饋信號(hào)， 其中只有一組是正確的信號(hào)， 其他均為無用的干擾信號(hào)或反復(fù)折射后的信號(hào)。反向測(cè)試與上述過程類似。

4.結(jié)語(yǔ)

該電路已經(jīng)通過仿真及電路實(shí)驗(yàn)，并已經(jīng)應(yīng)用于液體超聲波流量計(jì)上， 測(cè)量實(shí)驗(yàn)室用自PVC管，可測(cè)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(cè)管徑為10～100cm。

參考文獻(xiàn)

[1]李廣峰，劉昉，高勇.時(shí)差法超聲波流量計(jì)的研究[J].電測(cè)與儀表，2000（09）.

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

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

基金項(xiàng)目：天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司科研項(xiàng)目（13SY014-01）。

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