超聲波流量計信號激勵電路研究

高原 徐文文

【摘要】在基于時差法的液體超聲波流量計設計中，如何提高換能器激勵信號的靈敏度和穩定性是重要環節。本文介紹了一種利用MOS 場效應管驅動器TC4427 構成BTL 驅動電路，該電路將微控制器發出的脈沖信號提升峰峰值到30V，明顯提高接收換能器的信號靈敏度和穩定度。由于流量計中超聲波換能器為發送接收一體化傳感器，兩探頭均需在接收和發送兩種工作模式中切換。本文采用高速模擬開關，讓超聲波換能器根據工作流程，在發送傳感器和接收傳感器之間不停切換，以滿足信號測量要求。

【關鍵詞】超聲波流量計;MOS場效應管驅動器;高速模擬切換開關

超聲波在流動的流體中傳播時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出流體的流速，從而換算成流量。超聲波用于測量流體的流速有許多優點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。超聲波流量計的測量方法有時差法、多普勒效應法、波束偏移法等、其中時差法的電路最為簡單、使用也最為廣泛。

1.時差法超聲波流量計的原理

時差法超聲波流量計其工作原理如圖1所示。它是利用一對超聲波換能器相向交替收發超聲波、通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，其關系符合下面表達式：

（1）

其中：θ為聲束與液體流動方向的夾角，M為聲束在液體的直線傳播次數，D為管道內徑，Tup為聲束在正方向上的傳播時間，Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間，ΔT=Tup-Tdown。

圖1 超聲波流量計測量原理

由此可見， 流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量Q可以表示為：

（2）

2.超聲波脈沖信號激勵電路

超聲波信號發射的驅動方式一般有高壓單脈沖信號和低壓多脈沖信號兩種。高壓單脈沖信號用升壓變壓器升壓到小于600Vpp的單脈沖信號，主要用于氣體流速的測量。低壓多脈沖信號，用驅動電路將電壓轉換為20～30Vpp的5～10個脈沖信號，主要用于液體流速的測量。

一個典型的雙聲道超聲波流量計信號處理電路框圖如圖2所示。超聲波換能器載波頻率一般為500kHz，1MHz或2MHz。經過驅動電路處理，將微控制器發出的3.3V或5V脈沖信號轉換為15V的脈沖信號，并經BTL電路驅動，形成峰峰值30V的脈沖信號加到超聲波換能器兩端。經過介質傳播后，另一個超聲波換能器接收到衰減后的超聲波回饋信號，讓后級電路進行后續處理。這里由于采用的是一體型超聲波換能器，所以兩個傳感器在某一時刻，一個是發射傳感器，一個是接收傳感器，另一時刻兩個傳感器的作用又進行調換。所以，需要一個高速低阻的四路模擬開關進行信號的轉換。

2.1 信號驅動電路

為了實現微控制器的脈沖信號電平到15V電平輸出的轉換，采用TC4427芯片， 這是一款雙低邊MOS場效應管驅動器，最大峰值輸出電流為1.5A。該芯片可以將TTL或者CMOS電平信號轉換為電源電壓信號電平，電源電壓可在4.5V到18V之間，輸出延時小于40ns。

圖2 信號處理框圖

圖3 信號驅動電路圖

如圖3所示：引腳1和2、3和4交替出現等幅等頻脈沖信號高低電平， 輸出形成一個BTL驅動電路， 頻率為輸入引腳的一半，幅度為30V的峰峰值脈沖信號。因為超聲波換能器是一個容性負載，為了提高波形質量減小上升沿和下降沿的尖峰脈沖，加入了四個IN4148二極管和四個180Ω的分流電阻進行匹配。

2.2 信號切換和采集電路

本設計通過采用美信半導體的DG403芯片實現信號切換和采集，這是一款四路高速模擬切換開關，開關切換時導通時間只需100～150ns，關斷時間只需60～100ns，導通電阻最大38Ω。

如圖4所示，U13為DG403芯片，在上游超聲波換能器發射脈沖波形的時候，通過OEC的通道選擇，關斷上游超聲波換能器，導通下游超聲波換能器到輸出端D，通過并聯一個電容進行阻抗匹配之后，經電容去波形直流電壓成分送中U12頻放大器MC1350進行初級放大。微控制器可測出從上游傳感器發送脈沖到接收到放大后的脈沖的時間間隔Tup即為順流傳播時間。于此類似，下游超聲波換能器發送脈沖，上游超聲波換能器經OEC選擇信號后經過匹配電容進行放大處理，可測得逆流傳輸時間Tdown。時間差△T=Tup-Tdown。微控器根據公式即可計算得出介質的流速，并可轉換為流量。

3.具體電路調試

為電路調試方便，首選固定OEC，也就是先只測某個方向的傳輸時間，當測試穩定后再測反方向的傳輸時間。兩個都能測出來的時候，就可以加入定時切換兩者的發射或接收狀態。

首先，發射10個周期的脈沖，然后測試超聲波換能器兩端的電壓信號。如果出現雜波較大，則需調整匹配電容的參數，直到觀測到波形較好的30Vpp的10個方波脈沖信號。然后經過初級IF 放大芯片MC1350后觀測接收波形，通過示波器看一般幅度較低，略有頻偏。在發射脈沖信號一定時間后出現若干組回饋信號， 其中只有一組是正確的信號， 其他均為無用的干擾信號或反復折射后的信號。反向測試與上述過程類似。

4.結語

該電路已經通過仿真及電路實驗，并已經應用于液體超聲波流量計上， 測量實驗室用自PVC管，可測得較為穩定的流量數據。該超聲波電路根據選用不同的超聲波換能器， 理論上可測管徑為10～100cm。

參考文獻

[1]李廣峰，劉昉，高勇.時差法超聲波流量計的研究[J].電測與儀表，2000（09）.

[2]楊景常，劉冬梅.高速切換開關技術在高速數據采集電路中的應用[J].電測與儀表，2002（06）.

[3]劉麗珺.基于時差法的超聲波流量測試系統研究[D].浙江理工大學，2010.

基金項目：天地（常州）自動化股份有限公司科研項目（13SY014-01）。

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