专利名称：一种应用于超声波热量表的流速测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及超声波热量表的研究与设计领域，尤其涉及一种应用于超声波热量表的流速测量装置及方法。
背景技术：
热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收热量值的仪表。它主要由热量表基表、积算仪、流量传感器和配对温度传感器三部分组成。时差法超声波流量计是通过测量超声波在流体中顺逆流传播时间差来检测出液体的流速从而换算出流量的。根据超声波换能器在热量表基表上的安装位置的不同，时差法又可具体分为Z法(透过法)、V法 (反射法)、x法(交叉法)等。V法和X法需要在管道内安置反射界面，信号经过反射界面后存在着明显的信号衰减现象且易造成测量管道的堵塞问题。而Z法的安装方式在测量管段内不需安置任何反射界面，故不存在明显的阻碍部件，可以很好地解决目前绝大多数热量表存在的测量管段易堵塞的问题。积算仪和流量传感器是热量表最主要的部件，流量传感器测量精度将直接影响到整个热量表的测量精度。根据积算仪和流量传感器的不同目前热量表大致可以分为机械式、机电式和电子式。机械式的可靠性较差，机械齿轮容易被杂质卡住或损坏，且不适应电子化潮流。机电式是在机械式表的基础上增加电子显示、计费、抄表等功能�？�。但它始终只是在机械表的基础上加电子控制板发展而来，无法解决可靠性较差的问题。全新的电子式热能表在此环境下应运而生。电子式则是指整个表全由电子器件组成，无机械部分，不存在损坏和卡表的故障，可靠性较好，在扩展和升级方面很方便，符合市场发展方向。目前，在电子式领域中存在两种超声波热量表方案。其中一种是分立器件方案，即主要由MCU控制器单元和FPGA可编程逻辑控制单元组成。它存在着技术门槛高、研发周期长、功耗高等缺点，故得不到推广应用。另一种是TDC-GP2方案，即主要由MCU控制器单元和TDC-GP2芯片组成，它原理简单，集成度高，功耗低，适合大范围的推广。而现有的基于TDC-GP2芯片的超声波热量表在测量基表管道结构设计上较为单一，流速测量性能不良，数据测量不精确。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用于超声波热量表的流速测量装置及方法。应用于超声波热量表的流速测量装置包括上游螺纹接口、下游螺纹接口、缩径管道、积算仪、上游超声波换能器安装定位孔、上游超声波换能器、第一 0形橡胶密封圈、上游超声波换能器地线、上游超声波换能器信号线、下游超声波换能器安装定位孔、下游超声波换能器、第二 0形橡胶密封圈、下游超声波换能器地线、下游超声波换能器信号线、上游超声波换能器紧固垫片和下游超声波换能器紧固垫片；上游超声波换能器和下游超声波换能器包括金属防水密封外壳、压电晶体�？�、塑料支架和信号接线电路板；缩径管道两端分别设有上游螺纹接口和下游螺纹接口，在与缩径管道中心横截面偏上游方向成30度夹角的截面上设有一通孔，在上游缩径管道通孔端部设有上游超声波换能器安装定位孔，上游超声波换能器安装定位孔内固定有上游超声波换能器，在下游缩径管道通孔端部设有下游超声波换能器安装定位孔，下游超声波换能器安装定位孔内固定有下游超声波换能器，在上游超声波换能器与上游超声波换能器安装定位孔之间设有第一 0形橡胶密封圈，在下游超声波换能器与下游超声波换能器安装定位孔之间设有第二 0形橡胶密封圈，在上游超声波换能器端部设有上游超声波换能器紧固垫片并用螺栓固定，在下游超声波换能器端部设有下游超声波换能器紧固垫片并用螺栓固定，金属防水密封外壳、塑料支架和信号接线电路板顺次相连，金属防水密封外壳和塑料支架之间的空腔内固定有压电晶体�？椤Ｋ龅幕阋堑牡缏肺谝坏枷哂肷嫌纬ɑ荒芷餍藕畔呦嗔诙枷哂胂掠纬ɑ荒芷餍藕畔呦嗔骺匦酒腜l. 0、Pl. 1、Pl. 2、Pl. 3、 Pl. 4、Pl. 5 I/O 端口 分另Ij 与 TDC-GP2 芯片的 INTN、SSN、SCK、Si、SO、RSTN 端口 相连，主控芯片的P6.0 I/O端口与第一电子选通开关芯片的输出允许控制位 M相连，主控芯片的P6. 1 I/O端口与第二电子选通开关芯片的输出允许控制位面相连， TDC-GP2芯片的Fire 1端口、第一电子选通开关芯片的信号输入端A和异或门集成芯片的信号输入端A连在一起并与第一导线相连，TDC-GP2芯片的Fire2端口、第二电子选通开关芯片的信号输入端A和异或门集成芯片的信号输入端B连在一起并与第二导线相连，TDC-GP2 芯片的 Fire_In、Stop2, En_Stop2 端口接地线，TDC-GP2 芯片的 En_Start、En_Stopl 端口接电源线，第一电子选通开关芯片的信号输出端B和第二电子选通开关芯片的信号输出端B连在一起并与超声波信号处理电路的超声波信号输入端相连，超声波信号处理电路的超声波信号输出端与TDC-GP2芯片的Stopl端口相连，异或门集成芯片的信号输出端Y与 TDC-GP2芯片的Mart端口相连，IXD液晶显示屏的端口 1至20分别与主控芯片的液晶驱动段输出端口 SO至S19相连，IXD液晶显示屏的端口 21至M分别与主控芯片的液晶公共输出端口 COMO至COM3相连，按键与主控芯片的P2. 1 I/O端口相连，主控芯片的P2. 1 I/O 端口与电源线之间串联电阻R1。电源�？榈恼涑龆擞胫骺匦酒牡缭炊丝� Vcc相连。所述的超声波信号处理电路为一阶高通滤波电路、信号放大电路和阈值电压比较电路顺次串联，超声波信号输入端与信号放大电路的第一运放正向信号输入端+mi之间串联电容Cl，信号放大电路的第一运放正向信号输入端+mi与地线之间串联电阻R2， 信号放大电路的第一运放反向信号输入端-mi与地线之间串联电阻R3，信号放大电路的第一运放反向信号输入端-mi与信号放大电路的第一运放信号输出端OUTi之间串联电阻 R4，阈值电压比较电路的第二运放反向信号输入端-IN2与地线之间串联电阻R5，阈值电压比较电路的第二运放反向信号输入端-IN2与电源线之间串联电阻R6。所述的金属防水密封外壳17的端面直径为11. 5mm,高度为2mm，塑料支架19的直径为12. 5mm,高度为4mm。所述的主控芯片M选用带有液晶驱动功能�？榈腗SP430F417 超低功耗单片机。所述的信号放大电路的第一运放和阈值电压比较电路的第二运放选用了 AD8092双路运算放大器。应用于超声波热量表的流速测量方法的步骤如下
1)系统上电以后先对主控芯片和TDC-GP2芯片进行初始化设置主控芯片的Pl. 1、 P1.2、P1.3、P1.5、P6. 0和P6. 1 I/O端口为输出状态，主控芯片的Pl. 0和Pl. 1 I/O端口为输入状态，主控芯片的P2. 1 I/O端口为下降沿外部中断触发方式，TDC-GP2芯片的Firel和Fire2端口输出的脉冲数为3个，脉冲频率为1MHz，TDC-GP2芯片的Stopl通道的预期脉冲数为4个，TDC-GP2芯片的Stopl通道第一个Mop信号的屏蔽窗口时间为20us，主控芯片的Pl. 5 I/O端口向TDC-GP2芯片的RSTN端口输入一个由电平到低电平的跳变完成对 TDC-GP2芯片的上电复位；
2)顺流传播时间测量主控芯片的P6.O I/O端口输出一个高电平信号使第一电子选通开关芯片处于断开状态，主控芯片的P6. 1 I/O端口输出一个低电平信号使第二电子选通开关芯片处于闭合状态，关闭TDC-GP2芯片的Fire2端口，TDC-GP2芯片从Firel端口输出两路相同的信号，每路信号包含三个脉冲信号，第一路信号沿着第一导线激励于上游超声波换能器，第二路信号通过异或门集成芯片输入到TDC-GP2芯片的Mart端口，TDC-GP2芯片计时开始，下游超声波换能器接收到超声波信号，超声波信号通过第二电子选通开关芯片输入到超声波信号处理电路的超声波信号输入端，超声波信号从超声波信号处理电路的超声波信号输出端输出，再输入到TDC-GP2芯片的Mopl端口，TDC-GP2芯片计时结束，重复测量50 100次，测量的平均值记为顺流传播时间Tl ；
3)逆流传播时间测量主控芯片的P6.1 I/O端口输出一个高电平信号使第二电子选通开关芯片处于断开状态，主控芯片的P6. O I/O端口输出一个低电平信号使第一电子选通开关芯片处于闭合状态，关闭TDC-GP2芯片的Firel端口，TDC-GP2芯片从Fire2端口输出三个脉冲信号，三个脉冲信号第一路沿着第二导线激励于下游超声波换能器，三个脉冲信号第二路通过异或门集成芯片输入到TDC-GP2芯片的Mart端口，TDC-GP2芯片计时开始， 上游超声波换能器接收到超声波信号，超声波信号通过第一电子选通开关芯片输入到超声波信号处理电路的超声波信号输入端，超声波信号从超声波信号处理电路的超声波信号输出端输出，再输入到TDC-GP2芯片的Mopl端口，TDC-GP2芯片计时结束，重复测量50 100 次，测量的平均值记为逆流传播时间T2 ；
4)流速值计算与数据优化处理将顺流传播时间Tl和逆流传播时间T2代入公式、计
算流速值F = 2 — Γ1)tan Λ72 /2/)1,式中一力超声波换能器的安装角度，C为超声
波在水中的传播速度，Di为热量表基表缩径管道内径值，将连续测量到的N个流速值作为一个数组，固定数组的长度为N，每测量得到一个新数组去掉一个新数组中的最大和最小流速值，再对剩下的N-2个流速值取平均值作为流速测量值，N取值范围为12至20。本发明与现有技术相比具有如下优点流速测量基表结构设计合理，加工安装简单方便且不存在测量管道堵塞的问题。积算仪处理电路结构简单、成本低、数据显示及读取方便。流速测量范围宽、准确度高、线性度好。
图1是应用于超声波热量表的流速测量装置结构示意图； 图2是本发明的超声波换能器的结构图3是本发明的积算仪的电路结构图； 图4是本发明的超声波信号处理电路图； 图5是本发明的流速测量方法流程图。
具体实施例方式如图1、2所示，应用于超声波热量表的流速测量装置包括上游螺纹接口 1、下游螺纹接口 2、缩径管道3、积算仪4、上游超声波换能器安装定位孔5、上游超声波换能器6、第一 0形橡胶密封圈7、上游超声波换能器地线8、上游超声波换能器信号线9、下游超声波换能器安装定位孔10、下游超声波换能器11、第二 0形橡胶密封圈12、下游超声波换能器地线13、下游超声波换能器信号线14、上游超声波换能器紧固垫片15和下游超声波换能器紧固垫片 16 ；上游超声波换能器6和下游超声波换能器11包括金属防水密封外壳17、压电晶体�？� 18、塑料支架19和信号接线电路板20 ；缩径管道3两端分别设有上游螺纹接口 1和下游螺纹接口 2，水由上游螺纹接口 1处流入，从下游螺纹接口 2处流出，在与缩径管道3中心横截面偏上游方向成30度夹角的截面上设有一通孔，在上游缩径管道通孔端部设有上游超声波换能器安装定位孔5，上游超声波换能器安装定位孔5内固定有上游超声波换能器6，在下游缩径管道通孔端部设有下游超声波换能器安装定位孔10，下游超声波换能器安装定位孔10内固定有下游超声波换能器11，在上游超声波换能器6与上游超声波换能器安装定位孔5之间设有第一 0形橡胶密封圈7，在下游超声波换能器11与下游超声波换能器安装定位孔10之间设有第二 0形橡胶密封圈12，在上游超声波换能器6端部设有上游超声波换能器紧固垫片15并用螺栓固定，在下游超声波换能器11端部设有下游超声波换能器紧固垫片16并用螺栓固定，金属防水密封外壳17、塑料支架19和信号接线电路板20顺次相连，金属防水密封外壳17和塑料支架19之间的空腔内固定有压电晶体�？�18。所述的上游超声波换能器6和下游超声波换能器11选用定制的压电式超声波换能器，其中金属防水密封外壳17的端面直径为11. 5mm，高度为2mm，塑料支架19的直径为 12. 5mm,高度为 4mm。如图3所示，积算仪4的电路为第一导线21与上游超声波换能器信号线9相连， 第二导线22与下游超声波换能器信号线14相连，主控芯片M的Pl. 0、Pl. 1、Pl. 2、Pl. 3、 Pl. 4、Pl. 5 I/O 端口分别与 TDC-GP2 芯片 23 的 INTN、SSN、SCK、Si、SO、RSTN 端口相连，主控芯片M *TDC-GP2芯片23之间采用模拟SPI方式进行通讯，主控芯片M的P6. 0 I/
ο端口与第一电子选通开关芯片沈的输出允许控制位m相连，用于控制第一电子选通开关芯片沈的开关状态，主控芯片M的P6. 1 I/O端口与第二电子选通开关芯片27的输出允许控制位相连，用于控制第二电子选通开关芯片27的开关状态，TDC-GP2芯片23的
Firel端口、第一电子选通开关芯片沈的信号输入端A和异或门集成芯片25的信号输入端 A连在一起并与第一导线21相连，TDC-GP2芯片23的Fire2端口、第二电子选通开关芯片 27的信号输入端A和异或门集成芯片25的信号输入端B连在一起并与第二导线22相连， TDC-GP2 芯片 23 的 Fire_In、Stop2, En_Stop2 端口接地线，TDC-GP2 芯片 23 的 En_Start、 En_Mopl端口接电源线，第一电子选通开关芯片沈的信号输出端B和第二电子选通开关芯片27的信号输出端B连在一起并与超声波信号处理电路观的超声波信号输入端32相连， 超声波信号处理电路观的超声波信号输出端36与TDC-GP2芯片23的Mopl端口相连，异或门集成芯片25的信号输出端Y与TDC-GP2芯片23的Mart端口相连，IXD液晶显示屏四的端口 1至20分别与主控芯片M的液晶驱动段输出端口 SO至S19相连，IXD液晶显示屏 29的端口 21至M分别与主控芯片M的液晶公共输出端口 COMO至COM3相连，按键30与主控芯片1 I/O端口相连，主控芯片1 I/O端口与电源线之间串联电阻Rl。当按键30被按下时LCD液晶显示屏四显示实时流速测量值，每5秒进行一次流速测量，按键30在30秒内无操作IXD液晶显示屏四停止显示，以降低系统功耗。电源模块31 的正极输出端与主控芯片M的电源端口 Vcc相连。电源供电方式采用外接3. 6V、2400mAh 的锂亚硫酰氯电池。所述的主控芯片对选用带有液晶驱动功能�？榈腗SP430F417超低功耗单片机，第一电子选通开关芯片26和第二电子选通开关芯片27选用TI公司型号为 74CBTLV1G125DBV的芯片，异或门集成芯片25选用TI公司型号为SN74AHC1G86DBV的芯片。 LCD液晶显示屏四选用河北泰华电子科技有限公司生产的带字段式热量表液晶显示屏。如图4所示，超声波信号处理电路观为一阶高通滤波电路33、信号放大电路34 和阈值电压比较电路35顺次串联，超声波信号输入端32与信号放大电路34的第一运放正向信号输入端+mi之间串联电容Cl，信号放大电路34的第一运放正向信号输入端+mi与地线之间串联电阻R2，信号放大电路34的第一运放反向信号输入端-mi与地线之间串联电阻R3，信号放大电路34的第一运放反向信号输入端-mi与信号放大电路34的第一运放信号输出端OUTl之间串联电阻R4，阈值电压比较电路35的第二运放反向信号输入端-IN2 与地线之间串联电阻R5，阈值电压比较电路35的第二运放反向信号输入端-IN2与电源线之间串联电阻R6，其中取电容Cl值为IOOpF,电阻R2值为观欧姆，则高滤滤波的截止频率为0. SMhz ；取电阻R3值为IK欧姆，电阻R4值为100K欧姆，则信号放大倍数为101倍；取电容R5值为IK欧姆，电阻R6值为100K欧姆，则阈值比较电压为0. 03V。所述的信号放大电路34的第一运放和阈值电压比较电路35的第二运放选用了 AD8092双路运算放大器。如图5所示，应用于超声波热量表的流速测量方法的步骤如下
1)系统上电以后先对主控芯片M和TDC-GP2芯片23进行初始化设置主控芯片M 的PL UPl. 2,Pl. 3,PL 5、P6. 0和P6. 1 I/O端口为输出状态，主控芯片24的Pl. 0和Pl. 1 I/O端口为输入状态，主控芯片M的P2. 1 I/O端口为下降沿外部中断触发方式，TDC-GP2 芯片23的工作模式为测量范围2状态并启动自动校准功能，TDC-GP2芯片23的Firel和 Fire2端口输出的脉冲数为3个，脉冲频率为1MHz，TDC-GP2芯片23的Stopl通道的预期脉冲数为4个，TDC-GP2芯片23的Mopl通道第一个Mop信号的屏蔽窗口时间为20us，主控芯片M的Pl. 5 I/O端口向TDC-GP2芯片23的RSTN端口输入一个由电平到低电平的跳变完成对TDC-GP2芯片23的上电复位；
2)顺流传播时间测量主控芯片M的P6.0 I/O端口输出一个高电平信号使第一电子选通开关芯片26处于断开状态，主控芯片M的P6. 1 I/O端口输出一个低电平信号使第二电子选通开关芯片27处于闭合状态，此时TDC-GP2芯片23处于顺流测量状态，关闭 TDC-GP2芯片23的Fire2端口，TDC-GP2芯片23从Firel端口输出两路相同的信号，每路信号包含三个脉冲信号，第一路信号沿着第一导线21激励于上游超声波换能器6，第二路信号通过异或门集成芯片25输入到TDC-GP2芯片23的Mart端口，TDC-GP2芯片23计时开始，下游超声波换能器11接收到超声波信号，超声波信号通过第二电子选通开关芯片27 输入到超声波信号处理电路观的超声波信号输入端32，超声波信号从超声波信号处理电路28的超声波信号输出端36输出，再输入到TDC-GP2芯片23的Stopl端口，TDC-GP2芯片23计时结束，TDC-GP2芯片23中的算术逻辑单元自动计算出顺流传播时间值，重复测量50 100次，测量的平均值记为顺流传播时间Tl ；
3)逆流传播时间测量逆流传播时间测量之前先对TDC-GP2芯片23进行初始化设置， 主控芯片M的P6. 1 I/O端口输出一个高电平信号使第二电子选通开关芯片27处于断开状态，主控芯片M的P6. 0 I/O端口输出一个低电平信号使第一电子选通开关芯片沈处于闭合状态，此时TDC-GP2芯片23处于逆流测量状态，关闭TDC-GP2芯片23的Firel端口， TDC-GP2芯片23从Fire2端口输出三个脉冲信号，三个脉冲信号第一路沿着第二导线22激励于下游超声波换能器11，三个脉冲信号第二路通过异或门集成芯片25输入到TDC-GP2芯片23的Mart端口，TDC-GP2芯片23计时开始，上游超声波换能器6接收到超声波信号， 超声波信号通过第一电子选通开关芯片26输入到超声波信号处理电路观的超声波信号输入端32，超声波信号从超声波信号处理电路观的超声波信号输出端36输出，再输入到 TDC-GP2芯片23的Mopl端口，TDC-GP2芯片23计时结束，TDC-GP2芯片23中的算术逻辑单元自动计算出顺流传播时间值，重复测量50 100次，测量的平均值记为逆流传播时间 T2 ；
4)流速值计算与数据优化处理将顺流传播时间Tl和逆流传播时间T2代入公式、计算流速值i7 = ill- Γ1) tail ΘΟ2 /2 Dl，式中5为超声波换能器的安装角度，C为超声
波在水中的传播速度，Dl为热量表基表缩径管道内径值，其中4力30度，C为1450m/s，Dl 为15mm，为了克服在测量过程中存在的随机误差以及液体流动的波动性问题，提出了一种基于递推平均的中位值滤波算法，将连续测量到的N个流速值作为一个数组，固定数组的长度为N，每测量得到一个新数组去掉一个新数组中的最大和最小流速值，再对剩下的N-2 个流速值取平均值作为流速测量值，N取值范围为12至20。
权利要求
1.一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于包括上游螺纹接口(1)、下游螺纹接口(2)、缩径管道(3)、积算仪(4)、上游超声波换能器安装定位孔(5)、上游超声波换能器(6)、第一 0形橡胶密封圈(7)、上游超声波换能器地线(8)、上游超声波换能器信号线(9)、下游超声波换能器安装定位孔(10)、下游超声波换能器(11)、第二 0形橡胶密封圈 (12)、下游超声波换能器地线(13)、下游超声波换能器信号线(14)、上游超声波换能器紧固垫片(1 和下游超声波换能器紧固垫片(16);上游超声波换能器(6)和下游超声波换能器(11)包括金属防水密封外壳(17)、压电晶体�？�(18)、塑料支架(19)和信号接线电路板(20)；缩径管道(3)两端分别设有上游螺纹接口(1)和下游螺纹接口(2)，在与缩径管道 (3)中心横截面偏上游方向成30度夹角的截面上设有一通孔，在上游缩径管道通孔端部设有上游超声波换能器安装定位孔(5)，上游超声波换能器安装定位孔(5)内固定有上游超声波换能器(6)，在下游缩径管道通孔端部设有下游超声波换能器安装定位孔(10)，下游超声波换能器安装定位孔(10)内固定有下游超声波换能器(11)，在上游超声波换能器(6) 与上游超声波换能器安装定位孔(5)之间设有第一 0形橡胶密封圈(7)，在下游超声波换能器(11)与下游超声波换能器安装定位孔(10)之间设有第二 0形橡胶密封圈(12)，在上游超声波换能器(6)端部设有上游超声波换能器紧固垫片(15)并用螺栓固定，在下游超声波换能器(11)端部设有下游超声波换能器紧固垫片(16)并用螺栓固定，金属防水密封外壳 (17)、塑料支架(19)和信号接线电路板(20)顺次相连，金属防水密封外壳(17)和塑料支架 (19 )之间的空腔内固定有压电晶体�？�(18)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于所述的积算仪(4)的电路为第一导线(21)与上游超声波换能器信号线(9)相连，第二导线(22)与下游超声波换能器信号线(14)相连，主控芯片(24)的Pl. 0、Pl. 1、Pl. 2、Pl. 3、 Pl. 4、Pl. 5 I/O 端口 分另Ij 与 TDC-GP2 芯片(23)的 INTN、SSN、SCK、Si、SO、RSTN 端口 相连，主控芯片(24)的P6.0 I/O端口与第一电子选通开关芯片(26)的输出允许控制位面相连，主控芯片(24)的P6. 1 I/O端口与第二电子选通开关芯片(27)的输出允许控制位涼相连，TDC-GP2芯片(23)的Firel端口、第一电子选通开关芯片(26)的信号输入端A和异或门集成芯片(25 )的信号输入端A连在一起并与第一导线(21)相连，TDC-GP2芯片 (23)的Fire2端口、第二电子选通开关芯片(27)的信号输入端A和异或门集成芯片(25)的信号输入端B连在一起并与第二导线(22)相连，TDC-GP2芯片(23)的FireJn、St0p2、En_ Stop2端口接地线，TDC-GP2芯片(23)的EnJtart、EnJtop 1端口接电源线，第一电子选通开关芯片(26)的信号输出端B和第二电子选通开关芯片(27)的信号输出端B连在一起并与超声波信号处理电路(28)的超声波信号输入端(32)相连，超声波信号处理电路(28)的超声波信号输出端(36)与TDC-GP2芯片(23)的Stopl端口相连，异或门集成芯片(25)的信号输出端Y与TDC-GP2芯片(23)的Mart端口相连，IXD液晶显示屏(29)的端口 1至20 分别与主控芯片(24)的液晶驱动段输出端口 SO至S19相连，IXD液晶显示屏(29)的端口 21至M分别与主控芯片(24)的液晶公共输出端口 COMO至COM3相连，按键(30)与主控芯片(24)的P2. 1 I/O端口相连，主控芯片(24)的P2. 1 I/O端口与电源线之间串联电阻R1， 电源�？�(31)的正极输出端与主控芯片(24)的电源端口 Vcc相连。
3.根据权利要求2所述的一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于所述的超声波信号处理电路(28)为一阶高通滤波电路(33)、信号放大电路(34)和阈值电压比较电路(35)顺次串联，超声波信号输入端(32)与信号放大电路(34)的第一运放正向信号输入端+mi之间串联电容Cl，信号放大电路(34)的第一运放正向信号输入端+mi与地线之间串联电阻R2，信号放大电路(34)的第一运放反向信号输入端-mi与地线之间串联电阻R3，信号放大电路(34)的第一运放反向信号输入端-mi与信号放大电路(34)的第一运放信号输出端OUTl之间串联电阻R4，阈值电压比较电路(35)的第二运放反向信号输入端-IN2与地线之间串联电阻R5，阈值电压比较电路(35)的第二运放反向信号输入端-IN2 与电源线之间串联电阻R6。
4.根据权利要求1所述的一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于所述的金属防水密封外壳(17)的端面直径为11. 5mm，高度为2mm，塑料支架(19)的直径为 12. 5mm,高度为 4mm。
5.根据权利要求2所述的一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于所述的主控芯片(24)选用带有液晶驱动功能�？榈腗SP430F417超低功耗单片机。
6.根据权利要求3所述的一种应用于超声波热量表的流速测量装置，其特征在于所述的信号放大电路(34 )的第一运放和阈值电压比较电路(35 )的第二运放选用了 AD8092双路运算放大器。
7.一种使用如权利要求1所述装置的应用于超声波热量表的流速测量方法，其特征在于它的步骤如下1)系统上电以后先对主控芯片(24)和TDC-GP2芯片(23)进行初始化设置主控芯片(24)的PL 1、P1.2、P1.3、P1.5、P6.0*P6. 1 I/O 端口为输出状态，主控芯片(24)的 Pl. 0 和Pl. 1 I/O端口为输入状态，主控芯片(24)的P2.1 I/O端口为下降沿外部中断触发方式， TDC-GP2芯片(23)的Firel和Fire2端口输出的脉冲数为3个，脉冲频率为lMHz，TDC_GP2 芯片(23)的Stopl通道的预期脉冲数为4个，TDC-GP2芯片(23)的Mopl通道第一个Mop 信号的屏蔽窗口时间为20us，主控芯片(24)的Pl. 5 I/O端口向TDC-GP2芯片(23)的RSTN 端口输入一个由电平到低电平的跳变完成对TDC-GP2芯片(23 )的上电复位；2)顺流传播时间测量主控芯片(24)的P6.0I/O端口输出一个高电平信号使第一电子选通开关芯片(26)处于断开状态，主控芯片(24)的P6. 1 I/O端口输出一个低电平信号使第二电子选通开关芯片(27)处于闭合状态，关闭TDC-GP2芯片(23)的Fire2端口， TDC-GP2芯片(23)从Firel端口输出两路相同的信号，每路信号包含三个脉冲信号，第一路信号沿着第一导线(21)激励于上游超声波换能器(6)，第二路信号通过异或门集成芯片(25)输入到TDC-GP2芯片(23)的Mart端口，TDC-GP2芯片(23)计时开始，下游超声波换能器(11)接收到超声波信号，超声波信号通过第二电子选通开关芯片(27)输入到超声波信号处理电路(28)的超声波信号输入端(32)，超声波信号从超声波信号处理电路(28)的超声波信号输出端(36)输出，再输入到TDC-GP2芯片(23)的Mopl端口，TDC-GP2芯片(23) 计时结束，重复测量50 100次，测量的平均值记为顺流传播时间Tl ；3)逆流传播时间测量主控芯片(24)的P6.1 I/O端口输出一个高电平信号使第二电子选通开关芯片(27)处于断开状态，主控芯片(24)的P6. O I/O端口输出一个低电平信号使第一电子选通开关芯片(26)处于闭合状态，关闭TDC-GP2芯片(23)的Firel端口， TDC-GP2芯片(23)从Fire2端口输出两路相同的信号，每路信号包含三个脉冲信号，第一路信号沿着第二导线(22)激励于下游超声波换能器(11)，第二路信号通过异或门集成芯片 (25)输入到TDC-GP2芯片(23)的Mart端口，TDC-GP2芯片(23)计时开始，上游超声波换能器(6)接收到超声波信号，超声波信号通过第一电子选通开关芯片(26)输入到超声波信号处理电路(28)的超声波信号输入端(32)，超声波信号从超声波信号处理电路(28)的超声波信号输出端(36)输出，再输入到TDC-GP2芯片(23)的Stopl端口，TDC-GP2芯片(23) 计时结束，重复测量50 100次，测量的平均值记为逆流传播时间T2 ；4)流速值计算与数据优化处理将顺流传播时间Tl和逆流传播时间T2代入公式、计算流速值严=(72-71)13116^2/卩1)1)，式中β为超声波换能器的安装角度，C为超声波在水中的传播速度，Dl为热量表基表缩径管道内径值，将连续测量到的N个流速值作为一个数组，固定数组的长度为N，每测量得到一个新数组去掉一个新数组中的最大和最小流速值，再对剩下的Ν-2个流速值取平均值作为流速测量值，N取值范围为12至20。
全文摘要
本发明公开了一种应用于超声波热量表的流速测量装置及方法。流速测量装置由测量基表管道和积算仪组成。测量基表管道包括螺纹接口，缩径管道，超声波换能器安装定位孔，超声波换能器，O形橡胶密封圈，超声波换能器紧固垫片。积算仪包括主控芯片，TDC-GP2芯片，异或门集成芯片，电子选通开关芯片，超声波信号处理电路，LCD液晶显示屏，按键，电源�？�。流速测量的具体步骤为主控芯片和TDC-GP2芯片初始化设置；顺流传播时间测量；逆流传播时间测量；流速值计算与数值优化处理。本发明测量基表管道结构设计合理，加工安装简单方便且不存在测量管道堵塞的问题。积算仪电路结构简单、成本低、数据显示及读取方便。流速测量范围宽、准确度高、线性度好。
文档编号G01K17/00GK102253237SQ20111010925
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者周洪亮, 姚滨滨, 张宏建 申请人:浙江大学
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