四声道超声波流量计收发电路设计

    超声波是由机械振动产生的，具有束射特性、振动频率高、波长短、定向传播、高穿透能力，超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波束的作用测量流体流量的仪表。利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、海洋观测、河流特别是工业管道的各种测试中有着广泛的应用。它不但可以用于液体、液固两相流的测量，而且可以用于气体流量的测量，在测量气体领域，应用最广泛的测量方法是时差法。时差法超声波流量计是通过测量超声波信号在气体中顺流和逆流传播时间之差来反映流体流速的，它具有运行稳定、非接触测量、计量准确可靠、无压力损失、仪表的运算和显示精度较高、节约能源等特点，是一种非常理想的节能型流量计。本文着重介绍超声波气体流量计驱动及回波电路的设计。

    1 超声波流量计工作原理

    时差法超声波流量计工作原理如图1所示。

    在有流体流过的管道壁有两个成一定夹角的超声波传感器，设流体流速为V，管道直径为D，两传感器的直线距离为L，传感器与管道法线的夹角为θ，超声波在静止的流体中的速度为C[1]：

    一束超声脉冲经流体传播，其计时声程为

      （1）

    顺流的时间为

     （2）

    逆流的时间为

      （3）

    由式（1）、（2）、（3）推导计算出流体的流速V：

     （4）

    在1个小时内流过管道的流量为F：

      （5）

    由上面推导计算可知，只要通过精确的计时系统对t_AB，t_BA进行采样，即可测得流体流量。本系统后期采用FPGA对t_AB，t_BA进行采样。

图1 超声波流量计原理图

    2 驱动电路设计

    超声波驱动电路是要产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲去激励超声波传感器，再由传感器转为超声波向外发射。本系统主要是应用于测量气体的超声波流量计，所采用的超声波传感器为美国Airmar公司的ATK200，此超声波传感器工作频率为200kHz。

    2.1 驱动信号产生及光耦隔离设计

    本系统超声波传感器驱动信号是由微处理器产生的，微处理器产生一个与传感器压电振子谐振基频相等的交流信号，即产生一个200kHz的矩形脉冲信号。根据传感器的特点，该矩形脉冲信号其占空比为2%。如图2所示。

图2 超声波传感器激励信号

    在传感器的驱动电路板上有高压驱动电路及继电器切换电路，由微处理器产生的数字驱动信号需先经光耦隔离后方可进入后面的功率放大电路，本系统采用高速的光耦隔离器6N137，其输入输出的典型传输延迟时间为60ns，输入输出之间的隔离电压为2500V。6N137光耦隔离电路如图3所示。

图3 光耦隔商电路

    2.2 功率放大电路及高频脉冲变压器

    超声波传感器要把电能转变为超声波能量，必须对其提供足够功率的超声频率的交流信号。在传感器的压电晶体的耐压范围内，压电晶体产生的超声波强度随着激励电压的增大而增强。本系统由晶体管2N3904和3N3906组成的推挽式电路及快速转换N沟道增强型功率场效应管IRFZ44组成功率放大电路，最后经过高频脉冲变压器进一步抬高电压以更好地驱动传感器发射超声波信号[2]。在本系统中高频变压器采用磁芯为罐状锰锌软磁铁氧体，其最大磁通密度为Bm=0.025T，有效截面积为S=0.429cm²（18mm×11mm），初级线圈为直径0.65mm漆包铜线绕制，匝数为4，次级线圈为直径0.16mm漆包铜线绕制，匝数为160。初次级匝数比为1∶40，这样升压后的交变电压峰值在480左右，在压电晶体的耐压范围内。电路图如图4所示。

    2.3 多路开关设计

    本系统是四声道超声波流量计的设计，多路开关的设计是用以切换一对超声波传感器的发射，接收电路之间的连接，以及对四对超声波传感器电路的转换。本系统采用多路模拟开关MAX307和继电器TQ2-12V相结合来实现设计要求。

    MAX307工作在双电源电压条件下，其通道导通电阻为60Ω左右，任何端口的持续电流最大可达30mA，瞬间峰值电流最大可达100mA。通道导通闭合时间仅为几十纳秒。MAX307是双路八通道模拟开关，通过选通信号EN，A0，A1，A2，控制信号通道与公共端COMA，COMB的选通，逻辑表如表1所示。

    TQ2-12V是工作在电压为12V的条件下。在其正常工作条件下，继电器的导通线圈电阻为1440Ω，电流为8.3mA，线圈导通闭合时间最大不超过3ms。其机械寿命大于1亿次，电气寿命大于20万次。TQ2-12V原理图如图5所示，当继电器上电工作时，3脚、8脚分别与2脚、9脚断开，同时分别与4脚、7脚闭合。

图5 继电器原理图

    电路设计如图6、图7所示。由于受到继电器的寿命限制，需要定期地对其更换。在此本系统将电路设计在两块电路板上，图6为MAX307模拟开关通道电路（图中只画出四通道中的一通道，其他三个通道连接方式相同）；图7为继电器专用电路板（图中只画出其中一通道，其他三通道连接方式相同）；其通过双列插针JP0及单列插针JP9嵌套在图6的电路板上，随时可插入或拔出。MAX307的双路通道，COMA路用以控制选择8个继电器的工作，COMB路用以控制选择相应的8个传感器的信号接收。来自微处理器的控制选通数字信号J10的1-4脚，经过光耦隔离器TLP521-4后进入MAX307的EN，A0，A1，A2对通道进行控制。图6中，“IN”接经过变压器升压后的驱动电路，图中的JP11—JP88分别接入8个传感器，图中的“OUT”为超声波传感器，接收到的信号接入下一级的信号放大处理电路。图7中JP1-JP8为8个继电器[3]。

    3 接收电路设计

    超声波接收电路的作用就是将接收传感器输出的小信号经充分放大滤波处理后得到足够大足够干净的有用信号，以用于后面的调理及控制电路。

    3.1 放大电路设计

    超声发射传感器发射的超声波信号，经过管壁和流体，衰减比较大，因此超声波接收传感器接收的信号比较微弱，通常只为几十mV到几百mV，这时放大器的噪声对测量精度的影响也比较大，同时，由于超声波流量计中使用的超声波频率较高，所以要求运算放大的增益带宽积要足够高，因此这一级电路采用低噪声高速运算放大器。本系统的放大器采用NE5534，其特点如下：低噪声，3.5nV；双电源供电范围为-22V到+22V，典型工作电压为±5V；增益带宽积为10M；共模电压抑制比100dB。其电路设计如图8所示。

    3.2 带通滤波电路设计

    在超声波流量计工作的相关过程中，由于振动，流动的脉冲及工业现场的管道噪声和变频设备的电噪声等电子干扰，会引起周期性的信号存在，它将导致在相关图上出现周期性波峰，叠加到流动噪声的相关曲线上，是真实的渡越时间对应的波峰不明显，甚至被其他的波峰掩盖，无法得到正确的测量结果。在本系统采用低噪声高速运算放大器放大后还需要对信号进行带通滤波。本系统采用MAXIM公司的有源连续时间带通滤波器MAX275芯片对信号进行带通滤波[4]。

    MAX275使用±5V电源，电源电流不超过30mA，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。每两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率FO，转折频率，品质因数Q，放大倍数都由四个外部电阻确定，不需外接电容。通过外接电阻的不同组合形式可以实现巴特沃思、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中心频率从100Hz～300kHz；增益带宽积为16MHz。由MAX275组成的滤波电路具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点。由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响较小。其电路设计如图9所示，MAX275用做带通滤波器时其中心频率F_O、Q值及放大倍数H_OBP由外接电阻R1、R2、R3、R4决定。当中心频率F_O、Q值及增益H_OBP确定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到；

    其中，的值是由管脚FC的连接方式决定的，在此将FC管脚接地，取值为。考虑到电阻选择的可行性，取R₃=24kΩ，推导计算得品质因数Q=12。根据公式，FH为带通滤波器的上限频率， FL为带通滤波器的下限频率，当Q=12时，带通滤波器的带通宽度为16.6kHz，满足系统设计要求。本系统中带通滤波器的增益H_OBP=1。即外围电阻的取值为R1=24kΩ，R2=10kΩ，R3=24kΩ，R4=5kΩ。

    3.3 信号调理控制

    超声波接收传感器接收的微软信号经过前面放大滤波电路后，即可对超声波信号进行进一步的处理，通过模拟开关，电压比较器，AGC自动增益控制，A/D转换电路后进入微处理器，即可获得需要的测量数据。

    4 结语

    本系统中，超声波信号经过放大滤波后得到的信号如图10所示，从图中能得到干净清晰的超声波信号用以下一级的信号处理。