专利名称：高分辨率时间测量、处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在流体中顺流与逆流的传播时差測量流体流量的计量仪表，以及其他一切需要高分辨率测量时间的技术领域，具体涉及ー种高分辨率时间测量、处理装置。
背景技术：
随着电子技术发展，电子元器件成本大幅降低，低成本、高精度超声波流量计制造技术日趋成熟，应用日益广泛，开始逐步进入诸如热量表、水表、燃气表这类极其广阔的民用计量仪表市场。在热量表、水表、燃气表应用中，超声波流量计测量液体/气体流量的基本方法是时差法。即在流动的液体/气体中，超声波沿顺流方向传播和沿逆流方向传播的速度是不同的。顺流的速度是超声波在静态液体/气体中速度与液体/气体流速之和，逆流的速度 是超声波在静态液体/气体中速度与液体/气体流速之差。因此，超声波在ニ点间沿顺流方向传播和沿逆流方向传播的时间不同，測量出这ニ个时间之差，就可以计算出液体/气体的流速，流量。超声波在ニ点传播时差通常是非常小的。特别是小口径的热量表、水表、燃气表，ニ点间距离(即所谓声程)�。魉俚停辈畹姆直媛室蟠锏狡っ�(PS)级，这对时间测量电路要求很高。目前超声波流量计中使用的測量超声波传播时差电路一般为声环绕法或ー种型号为GP2的时间数字转换器1C。前者用“接力”方式扩大时差，从而降低对测量时差的分辨率要求；后者以信号通过逻辑门电路的时间作为时间测量单位，可使时间测量分辨率达到65ps。但是这ニ种方法都有局限，前者测量时间过长，本质上是以时间换精度，能量消耗较大,制造小口径电池供电仪表时,对电池容量要求较高，拉高了成本；后者的分辨率仍不能满足制造更高性能仪表要求，而且成本较高，成为低端市场接受的障碍。
实用新型内容(一 )要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是提供ー种高分辨率、低成本、低耗电的时间测量、
处理装置。( ニ )技术方案为了解决上述技术问题，本实用新型提供ー种高分辨率时间测量、处理装置，包括振荡器、换能器、信号处理器和信号解析器；振荡器，用于产生预定频率的振荡；换能器，用于将所述振荡转换成另ー种形式的能量信号，井能够发送和接收该种能量信号；信号处理器，用于根据所述换能器发送后接收的回波能量信号进行信号处理；信号解析器，用于将所述信号处理器处理后的信号进行解析得到时间测量結果，并进ー步处理得到处理结果；所述信号解析器能够控制所述信号处理器的打开/关断。优选地，所述振荡器的主频上限大于等于16MHz。优选地，所述换能器能够将振荡转换成但不限于超声波、激光或电磁波。优选地，所述信号处理器包括可关断恒流源和电容；当所述信号解析器控制可关断恒流源打开时，所述可关断恒流源以电流对电容充电；当所迷信号解析器控制可关断恒流源关断吋，得到并存储所述电容电压转换值后，所述电容放电。优选地，所述处理结果为但不限于流量、距离或电路断路定位。优选地，所述装置应用于超声波流量測量，所述换能器包括两个超声波换能器。优选地，所述振荡器和信号解析器集成于MCU中；所述信号处理器包括可关断恒流源和电容；所述MCU和超声波换能器之间还设有功率放大器和模拟开关；所述换能器和可关断恒流源之间还设有放大/比较器和逻辑门电路，所述逻辑门电路包括三个与非门。优选地，MCU —方面向功率放大器输出预定频率的方波作功率放大，一方面启动内部计数器开始对内部高频时钟计数；功率放大器输出的方波经过受MCU控制的模拟开关驱动超声波第一换能器/第二换能器发出超声波信号；超声波信号在液体/气体流经的管道中传播到第二换能器/第一换能器，在相应换能器信器上感应出电信号，该电信号输入到放太/比较器，经比较器整形得到预定频率的方波输出到第一与非门；当第一与非门的时钟控制输入端为高电平时，方波的上升沿启动可关断恒流源，开始以电流对电容充电，并给MCU发出中断请求信号；可关断恒流源另ー控制端和第二与非门的输出端连接，第二与非门的两输入端一个接收MCU的高频时钟输出，另ー个与可关断恒流源flag端连接；当可关断恒流源处于打开状态吋，flag端为高电平，第二与非门允许高频时钟脉冲通过，打开可关断恒流源后的第一个高频时钟脉冲通过第二与非门关断可关断恒流源；这样，被打开的可关断恒流源在ー个MCU时钟周期内被关断，电容的电压充到V。。优选地，MCU接收中断请求信号后，立即转入中断处理，启动ADC对电容上电压进行模数转换，得到并存储转换值；控制放电开关闭合，放掉电容上电荷，使电容上电压归零，为下一次測量做准备。(三)有益效果本实用新型高分辨率时间测量、处理装置的分辨率可达17ps，仅用较廉价的单片机(MCU)及少量周边元件，就可以完成精度高于GP2的超声波传播时间测量，而且电能消耗远低于声环绕法。因而同时具备并高于声环绕法和GP2及其系列产品D的优点，且成本低，电路简单，測量时间快，耗电小。本实用新型还可应用到其他一切需要高分辨率测量时间的技术领域，例如，激光测距、电缆断路定位等等。
图I为本实用新型装置的结构框图；图2为本实用新型装置一实施例的电路原理图；图3为本实用新型装置一实施例中可关断电源的电路图；图4为本实用新型装置一实施例的电路时序图；具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进ー步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不是限制本实用新型的范围。如图I所示，本实用新型所述的高分辨率时间测量、处理装置，包括振荡器、换能器、信号处理器和信号解析器；振荡器，用于产生预定频率的振荡；换能器，用于将所述振荡转换成另ー种形式的能量信号，井能够发送和接收该种能量信号；信号处理器，用于根据所述换能器发送后接收的回波能量信号进行信号处理；信号解析器，用于将所述信号处理器处理后的信号进行解析得到时间测量結果，并进ー步处理得到处理结果；所述信号解析器能够控制所述信号处理器的打开/关断。本实用新型装置可应用于超声波热量表、超声波水表、超声波燃气表等应用超声波在流体(液体或气体)中顺流与逆流的传播时差測量流体流量的计量仪表，本实用新型还可应用到其他一切需要高分辨率测量时间的技术领域，例如，激光测距、电缆断路定位等 坐寸ο所述振荡器的主频上限大于等于16MHz。所述换能器能够将振荡转换成但不限于超声波、激光或电磁波。所述处理结果为但不限于流量、距离或电路断路定位。所述信号处理器可以包括可关断恒流源和电容；当所迷信号解析器控制可关断恒流源打开时，所述可关断恒流源以电流对电容充电；当所迷信号解析器控制可关断恒流源关断时，得到并存储所述电容电压转换值后，所述电容放电。如图2所示，在本实用新型一实施例中，单片机(MCU)内部高频震荡经分频后得到IMHz频率的方波。測量开始后，单片机(MCU) —方面向功放电路输出IMHz频率的方波作功率放大,一方面启动内部计数器开始对内部高频时钟计数。功放电路输出的IMHz频率的方波经模拟开关Ul (受MCU的控制)驱动换能器I/换能器2发出超声波信号。超声波在液体/气体流经的管道中传播到另ー换能器2/换能器I，在此换能器信器上感应出正弦波电信号。这个正弦波电信号输入到放太/比较器，经比较器整形得到IMHz频率的方波输出到与非门U3-1。当U3-1的时钟控制输入端为高电平时，方波的上升沿启动可关断恒流源(实施例如图3所示)，开始以电流I对电容C充电，并给单片机(MCU)发出中断请求信号。可关断恒流源另ー控制端(CLOSE)与非门U3-2输出端连接，U3-2的ニ输入端ー个接收单片机(MCU)高频时钟输出，另ー个与可关断恒流源flag端连接。当可关断恒流源处于打开状态时，flag端为高电平，U3-2允许高频时钟脉冲通过，因此，打开可关断恒流源后的第一个高频时钟脉冲通过U3-2与非门关断可关断恒流源。这样，被打开的可关断恒流源在ー个单片机(MCU)时钟周期内被关断。电容C的电压充到V。Vc = (I X Δ t) /C = (I/C) X Δ t这里，At是充电时间。当I和C不变时，Vc与At成正比，只要测量Vc，便可推出At。单片机(MCU)接收中断请求信号后，立即转入中断处理。中断处理程序依次进行以下处理(I)关闭内部计数器停止计数，读出计数器值η ;(2)在时间控制线上输出低电平，封锁与非门U3-1 ；(2)启动ADC对电容C上电压进行模数转换，得到与电压V对应的转换值m;[0041](3)控制开关K闭合，放掉电容C上电荷，使电容C上电压归零，为下一次測量做准备;(4)计算超声波传播时间t = mXtf-nXte-tg0这里，tf是单片机(MCU)时钟周期，te是细计时的时间数字转换系数，通常由校准得到。校准时，使电容C以电流I充电tf时间，然后将充电后的电压转换为数字，设为P，则te = tf/p ;tg是各项延时的总和,例如功放电路延时、模拟开关延时、比较电路延时、可关断恒流源延时、中断响应及中断处理延时等等。对于ー特定个体，这些延时的总和通常是恒定的。后面将看到，tg在计算逆流和顺流的传播时间之差时互相抵消，因此是无关紧要的。如此可以先后測量出超声波在ニ换能器之间沿逆流方向传播时间和沿顺流方向传播时间，设分别为tb和ta:Tb = mb X tf-nb X te_tg·Ta = maX tf-naX te-tg则Λ T = Tb-Ta = (mb-ma) X tf+ (nb_na) X te= [ (mb-ma) + (nb_na) /p] Xtf测量时只要存储相关的m、n、p。设测量液体/气体点流速为q，则[0051 ] q = k Δ T = k [ (mb_ma) + (nb_na) /p] tf= (k tf) [ (mb-ma) + (nb_na) /p]令K = k tf,则q = K [ (mb-ma) + (nb_na) /p]K由标定时根据标准设备确定。由此可见，測量超声波传播时间时，只要计算并存储值z = m+n/P就足够了。在本实用新型一实施例中，测量电路时序图见图4。如前所述，P值是由校准決定的。校准时，单片机(MCU)在校准脉冲线上发出ー个脉冲，此脉冲经过与非门U2-3后，一方面启动可关断恒流源，开始以电流I对电容C充电，另ー方面给单片机(MCU)发出中断请求信号。在ー个高频时钟周期末，启动的可关断恒流源被与非门U2-2输出的高频时钟脉冲关断。单片机(MCU)接收中断请求信号后，立即转入中断处理。中断处理程序依次进行以下处理(I)启动ADC对电容C上电压进行模数转换，得到并存储转换值P ；(2)控制开关K闭合，放掉电容C上电荷，使电容C上电压归零，为下一次測量做准备。可关断恒流源电流I和电容C的值得确定，一般按下式计算I/C = O. 9Vadc/tf这里Vad。是ADC比较电压，在一次性锂电池供电设备中，通常为1，5_2V。例如，若取Vadc = 2V，tf = 125ns (即单片机主频为 8MHz)，C = IOOpf, M I 应取
I.44mA. 关于测量分辨率。由前述原理可知,测量时间的分辨率r为[0067]r = tf/p这里p的大小决定于ADC的位数。仍以上例说明，若ADC为12位模数转换器，则P = 0.9X4096 = 3686，r = 34ps。优于GP2系列产品的时间测量分辨率。若使单片机(MCU)主频提高到16MHz，则r = 17ps。远优于GP2系列产品的时间测量分辨率。 关于成本本实用新型的电路仅一片与非门(其中有4个与非门，使用其中3个)、一片D触发器(详见图2 :可控恒流源示例，双D触发器之一)、2个三极管及若干电阻电容，就可实现性能远高于集成电路GP2的时间测量功能。其电路复杂性不及GP2的百分之一，成本仅 GP2的十分之一。 关于电能消耗本实用新型的电路采用AD转换器将正比于被测时间的电压V。转换为数字，耗时仅几个微秒。较GP2须配置控制寄存器，等待測量完成标志，读结果寄存器等几乎近I毫秒耗时，时间缩短许多，因而电能消耗小许多。显而易见，本实用新型高分辨率时间测量、处理装置及其測量方法，具有电路简单，成本低廉，測量精度高，測量时间快，耗电小等现行超声波时差测量电路达不到的优点。本实用新型还可应用到其他一切需要高分辨率测量时间的技术领域，例如，激光测距、电缆断路定位等等。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.ー种高分辨率时间测量、处理装置，其特征在于，包括振荡器、换能器、信号处理器和信号解析器； 振荡器，用于产生预定频率的振荡； 换能器，用于将所述振荡转换成另ー种形式的能量信号，井能够发送和接收该种能量信号; 信号处理器，用于根据所述换能器发送后接收的回波能量信号进行信号处理； 信号解析器，用于将所述信号处理器处理后的信号进行解析得到时间测量结果，并进一步处理得到处理结果；所述信号解析器能够控制所述信号处理器的打开/关断。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述振荡器的主频上限大于等于16MHz。
3.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述换能器能够将振荡转换成但不限于超声波、激光或电磁波。
4.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述信号处理器包括可关断恒流源和电容；当所述信号解析器控制可关断恒流源打开时，所述可关断恒流源以电流对电容充电；当所述信号解析器控制可关断恒流源关断时，得到并存储所述电容电压转换值后，所述电容放电。
5.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述处理结果为但不限于流量、距离或电路断路定位。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的装置，其特征在干，应用于超声波流量測量，所述换能器包括两个超声波换能器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述振荡器和信号解析器集成于MCU中；所述信号处理器包括可关断恒流源和电容；所述MCU和超声波换能器之间还设有功率放大器和模拟开关；所述换能器和可关断恒流源之间还设有放大/比较器和逻辑门电路，所述逻辑门电路包括三个与非门。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在干，MCU—方面向功率放大器输出预定频率的方波作功率放大，一方面启动内部计数器开始对内部高频时钟计数；功率放大器输出的方波经过受MCU控制的模拟开关驱动超声波第一换能器/第二换能器发出超声波信号；超声波信号在液体/气体流经的管道中传播到第二换能器/第一换能器，在相应换能器信器上感应出电信号，该电信号输入到放太/比较器，经比较器整形得到预定频率的方波输出到第一与非门(U3-1);当第一与非门的时钟控制输入端为高电平时，方波的上升沿启动可关断恒流源，开始以电流对电容(Cl)充电，并给MCU发出中断请求信号；可关断恒流源另ー控制端和第二与非门(U3-2)的输出端连接，第二与非门的两输入端一个接收MCU的高频时钟输出，另ー个与可关断恒流源flag端连接；当可关断恒流源处于打开状态吋，flag端为高电平，第二与非门允许高频时钟脉冲通过，打开可关断恒流源后的第一个高频时钟脉冲通过第二与非门关断可关断恒流源；这样，被打开的可关断恒流源在ー个MCU时钟周期内被关断，电容的电压充到V。。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在干，MCU接收中断请求信号后，立即转入中断处理，启动ADC对电容(Cl)上电压进行模数转换，得到并存储转换值；控制放电开关闭合，放掉电容上电荷，使电容上电压归零，为下一次測量做准备。
专利摘要本实用新型是一种高分辨率时间测量、处理装置，包括振荡器、换能器、信号处理器和信号解析器；振荡器，用于产生预定频率的振荡；换能器，用于将所述振荡转换成另一种形式的能量信号，并能够发送和接收该种能量信号；信号处理器，用于根据所述换能器发送后接收的回波能量信号进行信号处理；信号解析器，用于将所述信号处理器处理后的信号进行解析得到时间测量结果，并进一步处理得到处理结果；所述信号解析器能够控制所述信号处理器的打开/关断。具有电路简单，成本低廉，测量精度高，测量时间快，耗电小等优点。
文档编号G01F1/66GK202453016SQ20122002743
公开日2012年9月26日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者汤天顺 申请人:北京嘉洁能科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
