超声波流量计信号激励电路研究

高原 徐文文

【摘要】在基于时差法的液體超声波流量计设计中，如何提高换能器激励信号的灵敏度和稳定性是重要环节。本文介绍了一种利用MOS 场效应管驱动器TC4427 构成BTL 驱动电路，该电路将微控制器发出的脉冲信号提升峰峰值到30V，明显提高接收换能器的信号灵敏度和稳定度。由于流量计中超声波换能器为发送接收一体化传感器，两探头均需在接收和发送两种工作模式中切换。本文采用高速模拟开关，让超声波换能器根据工作流程，在发送传感器和接收传感器之间不停切换，以满足信号测量要求。

【关键词】超声波流量计;MOS场效应管驱动器;高速模拟切换开关

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波用于测量流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等、其中时差法的电路最为简单、使用也最为广泛。

1.时差法超声波流量计的原理

时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波、通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，其关系符合下面表达式：

（1）

其中：θ为声束与液体流动方向的夹角，M为声束在液体的直线传播次数，D为管道内径，Tup为声束在正方向上的传播时间，Tdown为声束在逆方向上的传播时间，ΔT=Tup-Tdown。

图1 超声波流量计测量原理

由此可见， 流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为：

（2）

2.超声波脉冲信号激励电路

超声波信号发射的驱动方式一般有高压单脉冲信号和低压多脉冲信号两种。高压单脉冲信号用升压变压器升压到小于600Vpp的单脉冲信号，主要用于气体流速的测量。低压多脉冲信号，用驱动电路将电压转换为20～30Vpp的5～10个脉冲信号，主要用于液体流速的测量。

一个典型的双声道超声波流量计信号处理电路框图如图2所示。超声波换能器载波频率一般为500kHz，1MHz或2MHz。经过驱动电路处理，将微控制器发出的3.3V或5V脉冲信号转换为15V的脉冲信号，并经BTL电路驱动，形成峰峰值30V的脉冲信号加到超声波换能器两端。经过介质传播后，另一个超声波换能器接收到衰减后的超声波回馈信号，让后级电路进行后续处理。这里由于采用的是一体型超声波换能器，所以两个传感器在某一时刻，一个是发射传感器，一个是接收传感器，另一时刻两个传感器的作用又进行调换。所以，需要一个高速低阻的四路模拟开关进行信号的转换。

2.1 信号驱动电路

为了实现微控制器的脉冲信号电平到15V电平输出的转换，采用TC4427芯片， 这是一款双低边MOS场效应管驱动器，最大峰值输出电流为1.5A。该芯片可以将TTL或者CMOS电平信号转换为电源电压信号电平，电源电压可在4.5V到18V之间，输出延时小于40ns。

图2 信号处理框图

图3 信号驱动电路图

如图3所示：引脚1和2、3和4交替出现等幅等频脉冲信号高低电平， 输出形成一个BTL驱动电路， 频率为输入引脚的一半，幅度为30V的峰峰值脉冲信号。因为超声波换能器是一个容性负载，为了提高波形质量减小上升沿和下降沿的尖峰脉冲，加入了四个IN4148二极管和四个180Ω的分流电阻进行匹配。

2.2 信号切换和采集电路

本设计通过采用美信半导体的DG403芯片实现信号切换和采集，这是一款四路高速模拟切换开关，开关切换时导通时间只需100～150ns，关断时间只需60～100ns，导通电阻最大38Ω。

如图4所示，U13为DG403芯片，在上游超声波换能器发射脉冲波形的时候，通过OEC的通道选择，关断上游超声波换能器，导通下游超声波换能器到输出端D，通过并联一个电容进行阻抗匹配之后，经电容去波形直流电压成分送中U12频放大器MC1350进行初级放大。微控制器可测出从上游传感器发送脉冲到接收到放大后的脉冲的时间间隔Tup即为顺流传播时间。于此类似，下游超声波换能器发送脉冲，上游超声波换能器经OEC选择信号后经过匹配电容进行放大处理，可测得逆流传输时间Tdown。时间差△T=Tup-Tdown。微控器根据公式即可计算得出介质的流速，并可转换为流量。

3.具体电路调试

为电路调试方便，首选固定OEC，也就是先只测某个方向的传输时间，当测试稳定后再测反方向的传输时间。两个都能测出来的时候，就可以加入定时切换两者的发射或接收状态。

首先，发射10个周期的脉冲，然后测试超声波换能器两端的电压信号。如果出现杂波较大，则需调整匹配电容的参数，直到观测到波形较好的30Vpp的10个方波脉冲信号。然后经过初级IF 放大芯片MC1350后观测接收波形，通过示波器看一般幅度较低，略有频偏。在发射脉冲信号一定时间后出现若干组回馈信号， 其中只有一组是正确的信号， 其他均为无用的干扰信号或反复折射后的信号。反向测试与上述过程类似。

4.结语

该电路已经通过仿真及电路实验，并已经应用于液体超声波流量计上， 测量实验室用自PVC管，可测得较为稳定的流量数据。该超声波电路根据选用不同的超声波换能器， 理论上可测管径为10～100cm。

参考文献

[1]李广峰，刘昉，高勇.时差法超声波流量计的研究[J].电测与仪表，2000（09）.

[2]杨景常，刘冬梅.高速切换开关技术在高速数据采集电路中的应用[J].电测与仪表，2002（06）.

[3]刘丽珺.基于时差法的超声波流量测试系统研究[D].浙江理工大学，2010.

基金项目：天地（常州）自动化股份有限公司科研项目（13SY014-01）。

作者简介：高原（1987—），男，山东日照人，硕士，主要研究方向：自动化控制。