超声波是由机械振动产生的，具有束射特点、振动频率高、波长短、定向传播、高穿透才能，超声波流量计是经由过程检测流体流动时对超声波束的感化测量流体流量的仪表。应用超声波测量流速、流量的技巧在医疗、海洋不雅测、河道特别是工业管道的各类测试中有着广泛的应用。它不只可以用于液体、液固两相流的测量，并且可以用于气体流量的测量，在测量气体范畴，应用最广泛的测量办法是时差法。时差法超声波流量计是经由过程测量超声波旌旗灯号在气体中顺流和逆流传播时光之差来反应流体流速的，它具有运行稳定、非接触测量、计量精确靠得住、无压力损掉、仪表的运算和显示精度较高、节约能源等特点，是一种异常幻想的节能型流量计。本文侧重介绍超声波气体流量计驱动及回波电路的设计。
1 超声波流量计工作道理
时差法超声波流量计工作道理如图1所示。
在有流体流过的管道壁有两个成必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）
顺流的时光为
（2）
逆流的时光为
（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，只要经由过程精确的计时体系对tAB，tBA进行采样，即可测得流体流量。本体系后期采取FPGA对tAB，tBA进行采样。
图1 超声波流量计道理图
，烟气分析仪广泛适用于各种工业燃烧设备的维护与监测; 2 驱动电路设计
超声波驱动电路是要产生一个具有必定频率、必定脉冲宽度和必定输出功率的电脉冲去鼓励超声波传感器，再由传感器转为超声波向外发射。本体系主如果应用于测量气体的超声波流量计，所采取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 驱动旌旗灯号产生及光耦隔离设计
本体系超声波传感器驱动旌旗灯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换旌旗灯号，即产生一个200kHz的矩形脉冲旌旗灯号。根据传感器的特点，该矩形脉冲旌旗灯号其占空比为2%。如图2所示。
图2 超声波传感器鼓励旌旗灯号
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旌旗灯号需先经光耦隔离后方可进入后面的功率放年夜电路，本体系采取高速的光耦隔离器6N137，其输入输出的典范传输延迟时光为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 功率放年夜电路及高频脉冲变压器
超声波传感器要把电能改变为超声波能量，必须对其供给足够功率的超声频率的交换旌旗灯号。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跟着鼓励电压的增年夜而加强。本体系由晶体管2N3904和3N3906构成的推挽式电路及快速转换N沟道加强型功率场效应管IRFZ44构成功率放年夜电路，最后经由高频脉冲变压器进一步举高电压以更好地驱动传感器发射超声波旌旗灯号[2]。在本体系中高频变压器采取磁芯为罐状锰锌软磁铁氧体，其最年夜磁通密度为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，如许升压后的交变电压峰值在480阁下，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
本体系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。本体系采取多路模仿开关MAX307和继电器TQ2-12V相结合来实现设计请求。
MAX307工作在双电源电压前提下，其通道导通电阻为60Ω阁下，任何端口的持续电流最年夜可达30mA，刹时峰值电流最年夜可达100mA。通道导通闭应时光仅为几十纳秒。MAX307是双路八通道模仿开关，经由过程选通旌旗灯号EN，A0，A1，A2，控制旌旗灯号通道与公共端COMA，COMB的选通，逻辑表如表1所示。
TQ2-12V是工作在电压为12V的前提下。在其正常工作前提下，继电器的导通线圈电阻为1440Ω，电流为8.3mA，线圈导通闭应时光最年夜不跨越3ms。其机械寿命年夜于1亿次，电气寿命年夜于20万次。TQ2-12V道理图如图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 继电器道理图
电路设计如图6、图7所示。因为受到继电器的寿命限制，须要按期地对其改换。在此本体系将电路设计在两块电路板上，图6为MAX307模仿开关通道电路（图中只画出四通道中的一通道，其他三个通道连接方法雷同）；图7为继电器专用电路板（图中只画出个中一通道，其他三通道连接方法雷同）；其经由过程双列插针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路用以控制选择响应的8个传感器的旌旗灯号接收。来自微处理器的控制选通数字旌旗灯号J10的1-4脚，经由光耦隔离器TLP521-4落后入MAX307的EN，A0，热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点，A1，A2对通道进行控制。图6中，“IN”接经由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，接收到的旌旗灯号接入下一级的旌旗灯号放年夜处理电路。图7中JP1-JP8为8个继电器[3]。
3 接收电路设计
超声波接收电路的感化就是将接收传感器输出的小旌旗灯号经充分放年夜滤波处理后获得足够年夜足够干净的有效旌旗灯号，以用于后面的疗养及控制电路。
3.1 放年夜电路设计
超声发射传感器发射的超声波旌旗灯号，经由管壁和流体，衰减比较年夜，是以超声波接收传感器接收的旌旗灯号比较微弱，平日只为几十mV到几百mV，这时放年夜器的噪声对测量精度的影响也比较年夜，同时，因为超声波流量计中应用的超声波频率较高，所以请求运算放年夜的增益带宽积要足够高，是以这一级电路采取低噪声高速运算放年夜器。本体系的放年夜器采取NE5534，其特点如下：低噪声，3.5nV；双电源供电范围为-22V到+22V，典范工作电压为±5V；增益带宽积为10M；共模电压克制比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干过程中，因为振动，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，会引起周期性的旌旗灯号存在，它将导致在相干图上出现周期性波峰，叠加到流动噪声的相干曲线上，是真实的渡越时光对应的波峰不明显，超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器，甚至被其他的波峰掩盖，无法获得精确的测量成果。在本体系采取低噪声高速运算放年夜器放年夜后还须要对旌旗灯号进行带通滤波。本体系采取MAXIM公司的有源持续时光带通滤波器MAX275芯片对旌旗灯号进行带通滤波[4]。
MAX275应用±5V电源，电源电流不跨越30mA，片内硬件由四个运算放年夜器及若干电阻电容构成。每两个运算放年夜器构成一个二阶节，每个二阶节的中间频率FO，转折频率，品德因数Q，放年夜倍数都由四个外部电阻肯定，不需外接电容。经由过程外接电阻的不合组合情势可以实现巴特沃思、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中间频率从100Hz～300kHz；增益带宽积为16MHz。由MAX275构成的滤波电路具有外接元件少，构造简单，参数调剂便利和不受运算放年夜器本身频率特点影响等长处。因为没有外接电容，并且是单片构造，因而高频场应时受分布电容的影响较小。其电路设计如图9所示，MAX275用做带通滤波器时个中间频率FO、Q值及放年夜倍数HOBP由外接电阻R1、R2、R3、R4决定。傍边心频率FO、Q值及增益HOBP肯定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式获得；
个中，的值是由管脚FC的连接方法决定的，在此将FC管脚接地，取值为。推敲到电阻选择的可行性，取R3=24kΩ，推导计算得品德因数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，知足体系设计请求。本体系中带通滤波器的增益HOBP=1。即外围电阻的取值为R1=24kΩ，R2=10kΩ，R3=24kΩ，R4=5kΩ。
3.3 旌旗灯号疗养控制
超声波接收传感器接收的微软旌旗灯号经由前面放年夜滤波电路后，即可对超声波旌旗灯号进行进一步的处理，经由过程模仿开关，电压比较器，AGC主动增益控制，A/D转换电路落后入微处理器，即可获得须要的测量数据。
4 结语
本体系中，超声波旌旗灯号经由放年夜滤波后获得的旌旗灯号如图10所示，从图中能获得干净清楚的超声波旌旗灯号用以下一级的旌旗灯号处理。
超声波流量计&