一种利用二次反射波测量超声波渡越时间的电路

摘要

本发明涉及利用二次反射波测量超声波渡越时间的电路，用于超声波流量计获得在两个传感器之间的声波传播渡越时间的测定。采用一次接收波和二次反射波的波形高度相似性，来确定超声波在两个传感器之间的渡越时间。本发明电路组成包括：多路选通器（5）保证激励信号和一次接收信号、二次反射波能准确的进入后继电路，并有程控放大器（6）用于处理一次接受信号与二次反射信号不同的放大倍数要求；波形特征点判定电路系统（7）～（13），并将判定的结果控制时间计数器（14）的启停，完成渡越时间的测量。一次接收波与二次反射波的能量来源相同，因此具有极高的波形相似性关系，可避免出现波形对应特征点误判问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用二次反射波测量超声波渡越时间的电路，主要用于时差式超声波流量计中，对两个对向超声波传感器之间声波渡越时间的测量。

背景技术

时差式超声波流量计依靠检测流动介质对超声波信号的调制作用，获得声波在固定长度声道上的渡越时间，从而推算出介质的流速数据。当前超声波流量计通常采取对波形的特定标记点识别来判断渡越时间，因此对波形上特定标记点的判断就成了时差式超声波流量计的关键技术。

现有技术中，在发出超声波信号时，采取的主要方法包括：

1、采用方波序列激励，并设置阈值，当信号复制超过阈值后，采用其后若干个波形的过零点位置作为特征位置。这种方法在气体时差式流量计中应用存在一定困难，当流动稳定性较差时，其幅值在不同时间段可能存在一定的变动，导致阈值无法定位到同一个波形上，从而出现特征点的跨周期误判，如图2和图4所示。

2、采用编码方式的激励，并检测接收波形中的频率变化情况，通过与激励编码的对应关系确定确定波形特征点，如图3和图5所示。这种方式在雷达上使用较多，但是在超声波传感器上使用有一定问题。超声波传感器在其谐振频率点上可以获得最好的输出情况，但采用编码发射就不可避免的需要偏离其谐振频点。超声波传感器在小于谐振频率工作时，电流超前电压体现容性，而大于谐振频率工作时电路体现感性。在实际工作中接收到的波形将难以出现理想的编码效果，且波形中存在明显的过渡频率成分，特征点也非常容易出现周期误判。

发明内容

本发明的目的是，解决现有技术中对超声波过零点判定失误率较大与算法复杂的问题，利用有因果关系一次接收波与二次反射波的波形高度相似性来对渡越时间进行判定。其具体技术方案如下：

一种利用二次反射波测量超声波渡越时间的电路，使用在由流量计壳体与超声波传感器构成流量计的一次仪表，包括：激励信号发生器，产生方波脉冲序列，通过多路选通器用于激励超声波传感器或超声波传感器；然后通过多路选通器依次将超声波传感器上的一次接收波和另一超声波传感器上的二次反射波引入后继的程控放大器；第一峰值检测器测定并保持整个波形序列的最高幅值；第二峰值检测器在每个波形上穿越过零时刻会将输出重置，因此获得单个波形的最高幅值；当波形序列的峰值越过最高点后，第一峰值检测器和第二峰值检测器两者的输出将不再相同，如果差分放大器测得两者的电压差超过允许值，第二阈值比较器将输出并保持一个开放窗口信号S7，在信号S7控制下，其后的第一个上穿越过零点信号放入后继的时间计数单元，产生一个方波信号S8，方波信号S8的宽度即为两个波形对应特征点的渡越时间。

进一步的，信号S2为受流量计处理器控制的阈值电压，设置第一阈值比较器，信号幅值超过阈值电压后才会使用两个峰值检测器。

进一步的，设置上升沿检测器和下降沿检测器，分别产生上穿越过零点信号S3和下穿越过零点信号S4。

本发明专利的有益效果是：利用了一次接收波与二次反射波的相似性进行工作，规避了其他技术中对过零点位置容易出现误判的问题。且渡越时间数据直接来源于信号本身的过零点位置，无任何附加的计算与推导，结果具有很好的准确度。

附图说明

图 1 是本发明的电路组成结构示意图；

图2是现有技术中利用固定频率的方波序列去激励传感器的示意图；

图 3 是现有技术中利用频率编码的方波序列去激励传感器的示意图；

图 4 是现有技术中利用单一阈值法判定波形特征点的示意图；

图 5 是现有技术中利用波形中的频率变化判定波形特征点的示意图；

图 6 是激励信号与二次反射波A、一次接收波B、二次反射波放大C的波形对比示意图；

图 7 各个电路中各关键位置的信号特征示意图；

图中各附图标记含义为：1-流量计壳体、2、3-超声波传感器、4-激励信号发生器 5-多路选通器、6-程控放大器、7-第一阈值比较器、8-上升沿检测器、9-下降沿检测器、10-第一峰值检测器、11-第二峰值检测器、12-差分放大器、13-第二阈值比较器、14-时间计数器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明利用有因果关系的一次接收波与二次反射波的波形，以对幅值最高点作为两者的判定参考点，开放判定窗口，并将其后波形的上穿越过零位置作为比较位置，计算渡越时间。为了实现以上逻辑关系，电路系统中设置了：第一峰值检测器10测定整个波形序列的最高幅值；第二峰值检测器11在每个波形上穿越过零时刻重置输出，从而获得单个波形的最高幅值。当峰值越过最高点后，两者比较输出作为窗口信号，检测其后紧接的第一个上穿越过零点信号，控制时钟启停，达到测量目的。上升沿检测器8、下降沿检测器9用于给电路其他部分提供上下过零点信号。

如图1所示，本发明的利用二次反射波测量超声波渡越时间的电路使用在由流量计壳体1与超声波传感器2、3构成流量计的一次仪表；电路部分包括：激励信号发生器4，产生方波脉冲序列，通过多路选通器5用于激励超声波传感器2或者3（这里假设为2），然后通过多路选通器5依次将超声波传感器3上的一次接收波和超声波传感器2上的二次反射波引入后继的程控放大器6，程控放大器6输出为信号S1进入后继处理。各个关键部分的信号波形如图7所示。

信号S2为受流量计处理器控制的阈值电压，设置第一阈值比较器7，信号幅值超过阈值电压后才会使用两个峰值检测器10和11。

电路中波形的上下穿越过零点位置都是重要的判定要素，因此电路中设置有上升沿检测器8和下降沿检测器9，分别产生上穿越过零点信号S3和下穿越过零点信号S4。

第一峰值检测器10测定并保持整个波形序列的最高幅值，直到有外界重置指令为止，如S5；第二峰值检测器11在每个波形上穿越过零时刻会将输出重置，因此只能获得单个波形的最高幅值，如S6。当波形序列的峰值越过最高点后，第一峰值检测器10和第二峰值检测器11两者的输出将不再相同，如果差分放大器12测得两者的电压差超过允许值，第二阈值比较器13将输出并保持一个开放窗口信号S7。在信号S7控制下，其后的第一个上穿越过零点信号放入后继的时间计数单元14，产生一个方波信号S8，S8的宽度即为两个波形对应特征点的渡越时间。

本发明使用一次接收波和二次反射波进行判定，流量计工作时，首先发出激励信号，传递到对向传感器后，对向传感器会采集到一个波形（一次接收波），且同时会反射一个波形到原激励传感器上，此时原激励传感器就会接收到的波形就是二次反射波，本发明的优点在于一次接收波与二次反射波在能量上具有非常直接的因果关系（都是由同源的机械波产生），经过放大后的一次接收波与二次反射波相似度非常大，如图6所示。因此本发明电路在工作具有更好的原始信号基础与特征点判别稳定性。

本发明的电路在工作过程中利用两个相似程度极高的一次接收波与二次回波进行比较，可有效避免现有技术中在方波序列与正弦波序列中寻找对应关系可能存在的对应错误问题。