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申请/专利权人：中煤科工集团重庆研究院有限公司

摘要：本发明涉及一种消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量电路及方法，属于超声波流速测量领域。首先通过采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离，使接收信号信噪比增强，可以消除单个模拟开关隔离效果差引起的短距离测量出现盲区现象；其次采用数字电位器和滤波放大器组成的自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；最后采用过零比较器和MCU内置模数转换器ADC采样进行阈值比较和过零点计算，确定顺逆流过程的超声波渡越时间。该方法具有电路简单，信噪比高，测量无盲区等特点，适用于任何管径的超声波流量计。

主权项：1.基于测量电路的消除小管径测量盲区的超声波渡越时间测量方法，其特征在于：所述测量电路包括微控制单元MCU；所述MCU内置有定时器TIMER和模数转换电路ADC；所述MCU依次与驱动电路一、超声波换能器一、限幅电路一、模拟开关一、模拟开关三、自动增益控制AGC电路和ADC电连接；所述自动增益控制AGC电路依次与过零比较电路和TIMER电连接；所述MCU还依次与驱动电路二和超声波换能器二电连接；所述超声波换能器二依次与限幅电路二、模拟开关二和模拟开关三电连接；所述超声波换能器二与超声波换能器一相互发射和接收超声波信号；所述模拟开关一为单通道模拟开关一，所述模拟开关三为多通道模拟开关，所述模拟开关二为单通道模拟开关二；所述自动增益控制AGC电路包括依次连接的同向比例放大电路、增益可调节电路和带通滤波电路；所述同向比例放大电路的放大能力为20dB，所述增益可调节电路的放大能力为0～30dB，所述带通滤波电路的放大能力为20dB；所述增益可调节电路包括数字电位器和运算放大器；所述数字电位器和MCU之间采用SPI协议通信连接；所述数字电位器调节范围为0～100kΩ；所述测量方法包括以下步骤：步骤1：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；步骤2：采用自动增益调节电路，将超声波信号进行放大或衰减到理想幅度；步骤3：采用ADC采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间；所述步骤1具体为：采用多级模拟开关级联和分时导通原理，将超声波驱动电路的残余噪声与接收回路进行电气隔离；驱动信号控制换能器一发出超声波，由二极管并联组成的限幅电路对换能器一的输出信号限幅至±700mV以内，防止电压过高损坏后级电路；微控制单元MCU的IO端口产生电平信号控制单通道模拟开关一关断，控制多通道模拟开关的第一通道关断，使经过限幅电路一的信号实现两次隔离或两次衰减；与此对应，MCU的IO端口产生电平信号控制单通道模拟开关二开启，控制多通道模拟开关的第二通道开启，使换能器二经过限幅电路二后的超声波接收信号导通，并输出至后级自动增益控制AGC电路；经过模拟开关级联导通或关断，避免由超声波驱动电路带来的噪声干扰；所述步骤2具体为：自动增益控制AGC电路由3个级联组成：第一级为同向比例放大电路，用于增大输入阻抗和减小输出阻抗，同时对超声波信号进行放大，放大能力为20dB；第二级为基于数字电位器的增益可调节放大电路，对前级信号放大的同时进行低通滤波，抑制电路噪声，其放大能力为0～30dB；第三级为二阶带通滤波电路，对前级信号进一步噪声抑制和放大处理，其放大能力为20dB；其中，增益可调节放大电路基于数字电位器和运算放大器构成，数字电位器和MCU之间通信采用SPI协议；数字电位器选择0～100kΩ的调节范围，得到消除测量盲区的超声波接收信号；所述步骤3具体为：采用ADC采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间，分为主路和辅路；主路与MCU内置的ADC连接，通过MCU的DMA功能进行连续采集，将超声波波形采集并存储进指定的RAM空间待用；辅路与过零比较电路相连接，通过比较器将超声波信号的过零点信息转换为方波，将该方波与MCU的定时器输入捕获端口相连接，进行过零时刻检测；所述采用ADC采样和过零比较器进行阈值法计算和过零点计算，确定超声波渡越时间具体为：①启动DMA控制器和ADC采集超声波波形，并将波形存储进RAM，与此同时，过零比较器产生过零比较脉冲，与MCU的定时器输入捕获端口连接；②搜索波形上升沿过程的局部峰值P1～Pn及对应时刻，分别记为Vpi和Tpi；其中，n为波形上升沿阶段的波峰个数；i为第几个波峰，取值为1～n；③根据最大峰值幅度Vp_max，设定动态阈值门限K，K＝a*Vp_max，其中a为阈值系数；④遍历搜索RAM中的超声波波形，记录其与比较门限K首次相交的特征时间区间[Tp3,Tp4]，记为[T_L，T_H]；⑤以前一个周期的T_L时刻为基准，生成持续50us的高电平信号，作为定时器输入捕获使能信号，对过零检测脉冲进行下降沿时间测量，得到多个过零时间，记为T0[n]；⑥搜索T0[n]中位于时间范围[T_L，T_H]的过零时刻，记为T0’，再减去固定时延τ得到准确的渡越时间Tof，Tof＝T0’-τ。

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