一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法技术

本发明专利技术涉及一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法，所设计的发射电路包括两个控制信号源V1、V2；变比为1:3的高频变压器T1；四个功率MOSFET：M1、M3为P沟道增强型MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET；V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接；M1、M3管的s端口与电源正极相连接，d端口连接在高频变压器T1的两端，M2、M4管的s端口接地，d端口连接至高频变压器T1；通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，控制四个功率MOSFET管的导通情况；发射匹配电阻R

【技术实现步骤摘要】
一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法所属
本专利技术属于流量测量
设计一种气体超声波流量计。
技术介绍
超声流量计作为新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型水利水电项目以及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。对于时差法超声波流量计而言，当所测的介质静止时，流量计测得的顺逆流传播时间应该相同，顺逆流的传播时间差应该为零。但是在实际应用中，由于超声波换能器的性能不完全一致等原因，在静态时，超声波流量计所测得的顺逆流传播时间差不总是为零，导致流量计在零流速时的测量值也不为零，造成零点误差问题。此外，超声换能器的性能往往会因为老化或者外界环境因素如温度、压力等变化而改变，而不同换能器性能的变化往往是不一致的，这就导致了超声换能器性能的差异会随着外界环境变化而变化，从而导致超声波流量计的测量零点随外界环境变化，造成零点漂移现象。在测量过程中，超声波流量计的零点误差和零点漂移会叠加在流量计测量结果上，严重影响流量计在低流速时的测量精度和测量可靠性，限制超声波流量计的精度等级。目前，国内外解决超声波流量计零点问题的方法主要是“干”标定法和温度修正法，这类方法实现起来成本高，周期长，普遍适用性差。利用电声互易理论设计互易性收发电路，使超声波测量系统工作在互易模式下是解决零点漂移问题的有效途径。专利申请者认为，超声波流量计的零点漂移与顺逆流接收信号的一致性密切相关，是一个测量系统的互易性问题。根据电声互易理论，若系统工作在互易模式下，则在零流速下，顺逆流接收信号的幅值和相位将会完全一致，故而系统的零点误差和零点漂移也会被完全消除[1]。接收电路和发射电路的等效阻抗匹配是实现超声波流量计测量系统互易性的有效方法，即若流量计的信号发射电路与接收电路等效阻抗相等则流量计工作在互易模式下，此时流量计测得的静态值必定为零[2]。虽然已有学者曾尝试过使用阻抗匹配的互易性收发电路设计来消除超声波流量计的零点问题，但是该收发电路仅适用于液体超声波流量计。对于气体超声波流量计来说，超声波信号在声道传播过程中的衰减更为严重，已有方法不能直接应用于气体超声波流量计。[1]HempJ.Theoryoftransittimeultrasonicflowmeters[J].Journalofsoundandvibration,1982,84(1):133-147.[2]LundeP,VestrheimM,BoR,etal.5d-4reciprocaloperationofultrasonicflowmeters:Criteriaandapplications[C]//UltrasonicsSymposium,2007.IEEE.IEEE,2007:381-386.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以消除零点误差和零点漂移，提高超声流量计测量精度的阻抗匹配的气体超声波流量计电路设计方法。本专利技术的技术方案如下：一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法，包括下列步骤：1)选取变比为1:3的高频变压器，设计气体超声波流量计互易性发射电路：发射电路包括两个控制信号源V1、V2；变比为1:3的高频变压器T1；四个功率MOSFET：M1,M2,M3,M4，其中,M1、M3为P沟道增强型MOSFET，称为第一组MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET，称为第二组MOSFET；两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的；V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接；M1、M3管的s端口与电源正极相连接，d端口连接在高频变压器T1的两端，M2、M4管的s端口接地，d端口连接至高频变压器T1；通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，控制四个功率MOSFET管的导通情况；匹配电阻RS、第一模拟开关S以及换能器串联连接在变压器副边；第一模拟开关S开关状态由处理器输出信号V0控制，导通电阻为RA，用以切换换能器；根据高频变压器的变比和两组MOSFET导通时的导通阻值之和，计算变压器副边的等效阻抗RM；2)设计气体超声波流量计互易性接收电路：在接收电路中使用的模拟开关，称为第二模拟开关，与发射电路使用的第一模拟开关相同；接收电路包括第二模拟开关S和后续的电压跟随电路，换能器与第二模拟开关S串联后和匹配电阻RL一起并联连接在运算放大器的正向输入端。第二模拟开关S的开关状态由处理器输出信号V3控制，用以切换换能器；运算放大器的输出端通过反馈电阻R连接至运算放大器的反向输入端，形成负反馈；接收电路中使用的第二模拟开关与发射电路使用的第一模拟开关相同；3)设置匹配电阻阻值：设置合适的值使RS+RM与RL的值相等，即可满足互易性测量的阻抗匹配条件，实现阻抗匹配，忽略小阻值RM，匹配合适的RS与RL的值，匹配阻值设置为RS＝RL＝2KΩ。本专利技术基于超声波流量计的电声互易理论，给出一种阻抗匹配的气体超声波流量计信号收发电路的设计方法，实现测量系统的互易性，达到消除零点误差和零点漂移问题，可以提高超声流量计测量精度。附图说明图1时差法超声波流量计系统框图图2发射电路原理图图3初级接收电路原理图图4互易和非互易测量系统结构框图图5换能器对比实验测量结果图6温度实验测量结果图7DN100互易性测量系统实流标定实验结果图8DN100非互易性测量系统实流标定实验结果具体实施方式一般时差法超声波流量计的系统框图如图1所示。本专利技术针对其中的发射电路和初级接收电路进行设计改进。一：设计气体超声波流量计互易性发射电路，原理图如图2所示。超声波在气体中的衰减比较严重，为了得到信噪比比较高的接收信号，需要给换能器比较大幅值的脉冲激励。图中，T1为高频变压器，变比为1:3，M1,M2,M3,M4为功率MOSFET，依次通过信号源V1，V2控制(M1，M3)和(M2，M4)两组MOSFET导通即可通过推挽，在变压器原边得到峰峰值为30V的方波信号。S为模拟开关，其开关状态由处理器输出信号V0控制，导通电阻为RA，用以切换换能器。变压器的使用会使电路原本在变压器原边的等效阻抗换算到变压器副边后变为原来的9倍。两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的为0.108Ω。则可计算其在变压器副边的等效阻抗为RM＝9×0.108≈1Ω。RS为设计的匹配电阻。因此发射电路的等效阻抗ZS可由下式计算得。ZS＝RM+RA+RS二：设计气体超声波流量计互易性接收电路，原理图如图3所示；该电路主要由一个模拟切换开关和一个电压跟随电路组成。接收电路中使用的模拟开关与发射电路使用的模拟开关相同，其导通阻值可以完全抵消。在电压跟随电路中，运算放大器的放大倍数足够大，在分析电路时可以认为，运放两输入端的电位近似相等，流过运放输入端的电流近似为零。这样接收电路的等效阻抗就可以看成模拟开关的导通阻值与匹配电阻RL的和，而与后续的放大处理等电路无关。即接收电路的等效阻抗可以由下式计算得。ZL＝RA+RL三：设置匹配电阻阻值。对比上述两式可以发现，只要设置合适的值使RS+RM与RL的值相等，即可满足互易性测量的阻抗匹配条件，实现阻抗匹配。在一般情况下，RM不足1Ω的阻值对结果的影响可以忽略，因此只要匹配合适的RS与RL的值使其相等即可实现理论上的阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法，包括下列步骤：1)选取变比为1:3的高频变压器，设计气体超声波流量计互易性发射电路：发射电路包括两个控制信号源V1、V2；变比为1:3的高频变压器T1；四个功率MOSFET：M1,M2,M3,M4，其中,M1、M3为P沟道增强型MOSFET，称为第一组MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET，称为第二组MOSFET；两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的；V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接；M1、M3管的s端口与电源正极相连接，d端口连接在高频变压器T1的两端，M2、M4管的s端口接地，d端口连接至高频变压器T1；通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，控制四个功率MOSFET管的导通情况；匹配电阻R

【技术特征摘要】
1.一种消除气体超声波流量计零点漂移的电路设计方法，包括下列步骤：1)选取变比为1:3的高频变压器，设计气体超声波流量计互易性发射电路：发射电路包括两个控制信号源V1、V2；变比为1:3的高频变压器T1；四个功率MOSFET：M1,M2,M3,M4，其中,M1、M3为P沟道增强型MOSFET，称为第一组MOSFET，M2、M4为N沟道增强型MOSFET，称为第二组MOSFET；两组MOSFET导通时的导通阻值之和是相同的；V1与M1、M4管的g端口连接，V2与M2、M3管的g端口连接；M1、M3管的s端口与电源正极相连接，d端口连接在高频变压器T1的两端，M2、M4管的s端口接地，d端口连接至高频变压器T1；通过控制信号源V1、V2输出电平的高低，控制四个功率MOSFET管的导通情况；匹配电阻RS、第一模拟开关S以及换能器串联连接在变压器副边；第一模拟开关S开关状态由处...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑丹丹，杨智斌，付星熠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12