四声道超声波流量计收发电路设计

仪器仪表装置
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。
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。
2％
98％
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。
收 稿 日 期 ：2008-07-14 ；修 订 日 期 ：2008-10-20 作者简介：蔡忠兴（1981-），男，硕士研究生，研究方向为流量计量技术；赵辉（1963-），男，副教授，博士生导师，研 究 方 向 为
流 量 计 量 技 术 ，数 字 信 号 处 理 等 ；徐 南 （1983-），男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 流 量 计 量 技 术 。
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。
12V
R3
D1
D3
+
Q1
C4
D2
D4
OUT
IN
Q3
Q2
图 2 超声波传感器激励信号 Fig.2 Drive signal of ultrasonic sensors
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
EN A0 A1 A2
12V
28 -15V 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
R8 R9 R10 R11
C14
C13
TLP521-4
1 2 3 4 5 6 7 8 JP10
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14 13 12 11 10
9
16 15 14 13 12 11 10
自动化与仪表 2009(1)
13
仪器仪表装置
L＝D/cosθ
（1）
顺流的时间为
tAB＝L/（C+Vsinθ）
（2）
逆流的时间为
tBA＝L/（C-Vsinθ）
（3）
由式（1）、（2）、（3）推导计算出流体的流速 V：
V＝D（1/tAB-1/tBA）/sin2θ
（4）
在 1 个小时内流过管道的流量为 F：
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
3.3V
C16
C15
C11 15V
C9
C10
OUT
MAX307
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
V+ COMB N.C. NO8B NO7B NO6B NO5B NO4B NO3B NO2B NO1B GND N.C. N.C.
COMA V-
NO8B NO7B NO6B NO5B NO4B NO3B NO2B NO1B
文 章 编 号 ：1001-9944(2009)01-0013-05
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四声道超声波流量计收发电路设计
蔡忠兴，赵 辉，徐 南
（电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）
摘要：介绍了超声波流量计的工作原理，设计出一种简单高效的四声道超声波驱动电路及 回波接收电路。 着重介绍了四声道电路的设计，信号接收电路采用集成芯片放大滤波，本 系统主要应用于超声波气体流量计。 实验结果表明，发射效率高、回波信号良好。 关键词：超声波传感器；多路开关；继电器；滤波 中图分类号：TH814 文献标志码：B
Design of Four-channel Ultrasonic Flowmeter Transceiver Circuit
CAI Zhong-xing，ZHAO Hui，XU Nan
（School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China） Abstract：The principle of the ultrasonic flowmeter is introduced. This paper also designs a simple and highly efficient four-channel ultrasonic drive circuit and echo reception circuit，Focusing on a four-channel circuit design. Signal receiving circuit uses integrated chips to enlarge and filtering. This system is mainly used in ultrasonic gas flow meter. The results show that the design is efficent. Key words：ultrasonic sensors；multi-channel switch；relay；filtering wave
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
图 6 多路开关电路 Fig.6 Circuit of the multi-channel analog switch
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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]。
+ 2 3 4 5 6 7
13 12 11 10
9 8
14 13 12 11 10
9 8
图 7 继电器电路 Fig.7 Relays circuit
表 1 MAX307 逻辑表 Tab.1 Logic table of MAX307
A2
A1
A0
EN ON Switch
X
X
X
0
None
0
0
0
1
1
0
0
1
1
2
0
1
0
1
3
0
1
1
1
4
1
0
0
1
5
1
0
1
1
6
1
1
0
1
7
1
1
1
1
8
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
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，
F＝3600πVD2/4＝3600πD3（1/tAB-1/tBA）/4sin2θ （5）
由上面推导计算可知， 只要通过精确的计时系
统对 tAB，tBA 进行采样，即可测得流体流量。 本系统后
期采用 FPGA 对 tAB，tBA 进行采样。
B
Lθ V
D
A
图 1 超声波流量计原理图 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic flowmeter
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
5V
3.3V R1
IN C1
6N137
1 2 3 4
N.C. IN GND N.C.
V+ EN OUT GND
8 7 6 5
R2
OUT
C2
C3
图 3 光耦隔离电路 Fig.3 Opto-isolation circuit
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
与 4 脚、7 脚闭合。
1
2
3
4
5
-
+
10
9
8
7
6
wenku.baidu.com
图 5 继电器原理图
Fig.5 Schematic diagram of relay work
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
9
1
2
3
switch signal
4 5 6
C12
JP0
8B 8A 7B 7A 6B 6A 5B 5A 4B 4A 3B 3A 2B 2A 1B 1A signal gnd
IN
15V R12
C17
R13 C18
R14 C19
R15
C20
JP11
JP9
1 2
1 2
8 7
6
5
JP22
1 2
1 2
4 3 2 1
JP0
8B 8A
JP9
7B 7A
8
6B 6A
7
5B 5A
6
4B 4A
5
3B 3A
4
2B 2A
3
1B 1A
2
signal gnd
1
JP1 TQ2-12V
1 2 3 4 5 6 7
+ 2 3 4 5 6 7
13 12 11 10
9 8
14 13 12 11 10
9 8
TQ2-12V JP2
1 2 3 4 5 6 7
14
图 4 功率放大电路 Fig.4 Power amplifier circuit
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
Automation ＆ Instrumentation 2009(1)
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