基于Cortex M3内核处理器的气体流量测量电路的制作方法
【专利摘要】基于Cortex?M3内核处理器的气体流量测量电路，涉及管道内气体工况流量以及标况流量测量技术，适用于天然气管道气体工况流量以及标况流量的精确测量。由电源模块、以及与电源�？榱拥幕贑ortex?M3内核处理器、时间转换芯片、发射驱动电路、两路超声探头、前置接收放大、自动增益控制电路、波形整形电路、接收控制电路、发射控制电路、温度传感器、压力传感器、按键、显示、RS232通讯接口构成，可实时测量气体的工况流量，并能够计算气体压缩因子，同时利用采集的温度、压力参数，实时计算气体的标况流量，可选择现场显示工况或标况输出信息，具有良好的测量效果，高质量的测量精度和稳定性。
【专利说明】基于Cortex M3内核处理器的气体流量测量电路
【技术领域】
[0001]基于Cortex M3内核处理器的气体流量测量电路，涉及管道内气体工况流量以及标况流量测量技术，适用于天然气管道气体工况流量以及标况流量的精确测量。
【背景技术】
[0002]随着我国西气东输工程等大规模的天然气管道建设运行投产，商品天然气贸易计量仪表的配备水平不断提高，时差法超声波气体流量测量技术作为一项成熟的技术被广泛应用。
[0003]现有的时差法超声波气体流量计多采用两片处理器协同工作，其中一片负责换能器驱动和接收信号的控制，测量超声波在各声道中传播的时间，另一片负责气体压缩因子的计算、工况流量的计算以及标况流量的计算，两片处理器协同工作的方式对测量的实时性有一定的影响，而且硬件成本开销大，且占用较大的电路空间；并且超声传播时间测量电路中多使用石英晶振为时标，由于受加工材料以及制造工艺所限，石英最高频率仅能达到几百MHz，时间的最小分辨力ns级，造成电路测时的实时性精度较低。
【发明内容】
[0004]为了解决现有测量电路实时性较低的不足，本发明人经研究提出了采用成本低硬件构成，且能有效提高电路测时实时性测量精度的基于Cortex M3内核处理器的气体流量测量电路，替代使用石英晶振为时标的测量电路。。
[0005]本实用新型测量电路采用高性价比的Cortex M3内核的处理器和时间转换芯片，基于Cortex M3内核的处理器为核心，时间转换芯片为关键电路，配以电源�？椋⑸淝缏罚铰烦酵罚爸媒邮辗糯螅邮湛刂频缏罚⑸淇刂频缏罚远鲆婵刂频缏罚ㄐ握蔚缏罚沽Υ衅鳎醇跋允镜缏罚ㄑ督涌诘缏饭钩�。
[0006]Cortex M3内核的处理器内置AD单元联接电压输出型压力传感器，采集气体实时压力信息，为气体标况计算提供压力参数；
[0007]时间转换芯片联接两个PT500钼电阻或者两个PT1000钼电阻，作为温度传感器，其中一个采集气体实时温度信息，为气体标况计算提供温度参数；另一个采集系统内部电路工作的温度，监控处理电路的工作环境；
[0008]本实用新型测量电路通讯接口电路为RS232通讯端口，通过RS232通讯端口读取气体组份或者手工输入气体组份，Cortex M3内核的处理器计算出压缩因子，再根据压力、温度参数，计算处理后输出气体的标况流量，可选择现场显示输出工况或标况流量。
[0009]本实用新型测量电路具备良好的测量效果，测量精度工况优于I级，标况可达1.5级，在长期工业环境下运行稳定可靠，可测量多种介质:天然气、页岩气，空气，氢气等。除天然气管道气体工况流量以及标况流量的精确测量外，还可用于工业自动化的控制系统，工厂排风系统以及废气排放系统。【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型测量电路工作原理示意图。
[0011]图2为两声道探头安装示意图。
【具体实施方式】
[0012]图1所示，基于Cortex M3内核处理器的气体流量测量电路，主要由电源�？�、以及与电源�？榱拥幕贑ortex M3内核处理器、时间转换芯片、发射驱动电路、两路超声探头、前置接收放大、自动增益控制电路、波形整形电路、接收控制电路、发射控制电路、温度传感器、压力传感器、按键、显示、RS232通讯接口构成，其中基于Cortex M3内核处理器为STM32F103处理器。STM32F103处理器是一款基于Cortex M3内核的高性能32位处理器，72MHz工作频率，具有单周期乘法和硬件除法功能，其众多的内部资源便于系统构造，时间转换芯片是ACAM公司的TDC-GP21 (或:GP21)时间转换芯片，测量精度达到ps级，适用于时间精确测量。
[0013]STM32F103处理器与压力传感器、GP21时间转换芯片、自动增益控制电路、接收控制电路、发射控制电路、RS232通讯电路、显示、按键、电源�？榱樱露却衅饔隚P21时间转换芯片连接，波形整形电路与GP21时间转换芯片和自动增益控制电路连接，发射驱动电路与GP21时间转换芯片、接收控制电路、发射控制电路、两路超声探头连接，两路超声探头与前置接收放大连接，前置接收放大与自动增益控制电路连接。。
[0014]所述发射控制电路和接收控制电路，与STM32F103通过I/O总线连接，控制超声探头的收发状态。
[0015]所述发射驱动电路，激励超声探头发射超声波。
[0016]所述两路超声探头为本电路的流量传感器。
[0017]所述前置接收放大，用于超声接收的弱信号放大。
[0018]所述自动增益控制电路，与STM32F103处理器通过I/O总线连接，处理器动态地控制接收超声信号合适目标值，抑制超声信号幅度随气体介质压力改变、气体介质流速变化的变化量。
[0019]所述波形整形电路，将超声接收信号整形为适合GP21时间转换芯片输入的信号，作为停止信号。
[0020]所述按键及显示电路，作为人机交互接口。
[0021]所述RS232通讯接口，可与组份分析仪或PC进行数据传输。
[0022]STM32F103处理器通过内部AD转换单元联接电压输出型压力传感器，为气体标况计算提供压力参数。
[0023]GP21时间转换芯片联接两个PT500钼电阻或者两个PT1000钼电阻，其中一个为气
体标况计算提供温度参数，另一个监控处理电路工作环境。
[0024]本实用新型气体流量测量电路以STM32F103处理器为核心，GP21时间转换芯片为关键部件。STM32F103处理器通过SPI总线与GP21时间转换芯片相连，系统上电后，STM32F103处理器完成对自身和GP21时间转换芯片的初始化设置，通过I/O总线配置发射控制电路及接收控制电路，确定两路超声探头的收发状态，两路超声探头为两声道四个探头均为收发一体式。如:一声道两个探头为1A、1B，二声道两个探头为2A、2B。两声道探头安装示意如图2:设置IA发射，IB接收，STM32F103处理器给GP21时间转换芯片发送启动命令，通过发射驱动电路激励探头1A，产生超声波。超声波在气体介质中，沿一声道顺向传播，探头IB接收到的信号，经前置放大，自动增益控制电路及波形整形电路后，送到GP21时间转换芯片作为停止信号，这样GP21时间转换芯片可以计算出超声波在气流中的顺向传播时间，随即，设置IB发射，IA接收，STM32F103处理器再次给GP21时间转换芯片发送启动命令，通过发射驱动电路激励探头1B，产生超声波。超声波在气体介质中，沿一声道逆向传播，探头IA接收到的信号，经前置放大，自动增益控制电路及波形整形电路后，送到GP21时间转换芯片作为停止信号，这样GP21时间转换芯片可以计算出超声波在气流中的逆向传播时间。于是就可得到一声道顺逆传播的时间差，同样原理，亦可得到二声道顺逆传播的时间差。利用时差法原理公式就可以计算出管道中气体的工况流量。
[0025]STM32F103处理器通过RS232通讯端口读取气体组分或者手工输入气体组分，计算出压缩因子，再根据压力、温度参数，计算处理后输出气体的标况流量，可选择现场显示输出工况或标况流量。
[0026]以上所述仅为本实用新型气体流量测量电路的实施例，但并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进均应包含在保护范围之内。
【权利要求】
1.基于CortexM3内核处理器的气体流量测量电路，由电源�？�、STM32F103处理器、GP21时间转换芯片、发射驱动电路、两路超声探头、前置接收放大、自动增益控制电路、波形整形电路、接收控制电路、发射控制电路、温度传感器、压力传感器、按键、显示、RS232通讯接口构成，其特征在于:STM32F103处理器与压力传感器、GP21时间转换芯片、自动增益控制电路、接收控制电路、发射控制电路、RS232通讯电路、显示、按键、电源�？榱樱露却衅饔隚P21时间转换芯片连接，波形整形电路与GP21时间转换芯片和自动增益控制电路连接，发射驱动电路与GP21时间转换芯片、接收控制电路、发射控制电路、两路超声探头连接，两路超声探头与前置接收放大连接，前置接收放大与自动增益控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的气体流量测量电路，其特征在于:GP21时间转换芯片联接两个PT500钼电阻或者两个PTlOOO钼电阻，作为温度传感器。
【文档编号】G01F1/66GK203732109SQ201420069777
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】幕志国, 左文雄 申请人:上海中核维思仪器仪表有限公司
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