基于max35104在仪表中的应用

宁夏隆基宁光仪表股份有限公司 李建炜 李兴泽 谭 忠

针对当前膜式燃气表体积大、计量精度低、机械式传动产生噪音大和传动机构易老化等缺点，利用Maxim公司的气体流量系统级芯片MAX35104研究设计一款超声波燃气表。MAX35104用于超声波燃气表计量的模拟前端（AFE），具有高精度的流量测量，支持热敏电阻和RTD等温度传感器，TOF测量功耗低至62Ua。采用此芯片作为流量计量的模拟前端和时差法计量原理设计的超声波燃气表能够有效的克服模式燃气表的缺点，实现全电子式流量计量。

引言

传统的机械式膜腔燃气表结构复杂且体积较大，人工抄表方式极为不便，这些缺点使其发展应用受到了一定的阻碍。电子式膜腔燃气表是在传统机械式的基础上进行半电子化改进，增加了电子计量功能、显示功能、预付费和远程抄表功能，实现了半电子化。但以上两种表计的核心计量方式均依靠表内机械机构，机械磨损造成的计量准确度的影响无法避免。超声波燃气表由于其全电子机构的特点，与以往的机械表相比在机械噪音、计量精度、量程、可重复性以及寿命、维护上都有着绝对优势。超声波燃气表虽然诸多优点，但技术上难点较大，换能器发射的信号在气体中衰减严重，接收方无法有效的得到回波信号。MAX35104模拟前端解决方案内部模拟开关、可配置三级集成运算放大器、超低输入偏移比较器和自动差分飞行时间（TOF）测量法，不仅可以有效的解决信号衰减问题，而且实现了对气体流量的简化计算。

1.MAX35104模拟前端介绍

1.1 MAX35104特点

Maxim MAX35104气体流量计SoC是设计用于超声波燃气表和医疗呼吸机市场的模拟前端解决方案。芯片具有以下特性：

(1)时间测量精度为700ps，测量范围至400us，并采用自动差分飞行时间（TOF）测量法，可简化对气体流量的计算；

(2)器件的功耗低，在飞行时间测量模式下最低为62uA，在占空比测温模式下为125nA；

(3)高精度温度测量，支持PT500、PT1000和热敏电阻等传感器；

(4)高度集成，内置时钟，最大程度减少了元件数并降低了BOM成本；

(5)2.3V至3.6V单电源供电；

(6)工作温度范围：-40℃至+85℃；

图1 MAX35104内部结构框图及引脚

1.2 MAX35104功能引脚介绍

MAX35104是一款高集成度的流量计量 芯片，内置高压驱动电路、模拟开关、可配置三级集成运算放大器、超低输入偏移比较器以及高精度温度测量模块；另具有SPI通信接口，可与任意型号主控MCU实现命令交互。其内部结构框图及引脚图如图1所示。

其中TX_UPP、TX_UPN引脚和TX_DNP、TX_DNN引脚外部各连接一个超声波换能器，内部连接高压脉冲发射模块用于发射和接收超声波信号；T1和T2为温度测量引脚，外接PT1000等温度传感器；CMP_OUT/UP_DN引脚用于比较器输出或者指示顺逆流发射方向；SCK、DOUT、DIN和CE四个引脚为SPI通信接口。

图2 超声波燃气表整体结构框图

图3 MAX35104 Boost电路及补偿设计

图4 时差法测量原理图

2.整体设计方案

一个完整的超声波燃气表包括换能器、MAX35104模拟前端、boost电路、显示电路、电源电路、无线通信电路和MCU主控电路等。整体结构如图2所示。

在整个的设计方案中，MAX35104模拟前端与Boost电路最为重要，决定了整个表计的计量精度与功耗。MAX35104具有一个可编程高压脉冲发射模块，电源电压采用3.6V的电源时，其用来驱动换能器的脉冲驱动电压可达到最高30VPP。当换能器收到回波信号，经过两个放大器、一个带通滤波器和一个比较器处理后，得到更为稳定的波形，然后进行时间数字换算。为了实现标准的升压控制器，MAX35104通过COMP引脚做了环路补偿，如图3所示。

3.计量原理

本设计采用的时差法计量原理，也是目前流量计设计中运用较广泛的一种方法。其原理是通过测量超声波信号在气体中的顺流方向上的传播时间t1和逆流方向上的传播时间t2，然后得到两个方向上的传播时间差Δt，利用超声波传播的时间差计算气体流量。超声波换能器A，B安装如图4所示，L表示超声波传播路径长度，与流体流向夹角为α，流体速度为V，管道直径为D，超声波在流体中的传播速度为C。

故得到顺流方向超声波传播时间td的计算公式为：

逆流方向超声波传播时间tu的计算公式为：

由公式1、2可推导出流体的流速v的表达式为：

如果气体的瞬时流量为Q，管道的横截面积为S，则可得到：

式4中的K为仪表系数，该系数的确定需要跟标准仪表进行校准确定。

根据超声波燃气表功能要求，软件设计主要分为：主程序模块、时间测量模块、定时中断模块、显示程序、按键程序设计和低功耗模块，具体流程如图5所示。

图5 主程序流程图

4.结论

基于MAX35104模拟前端的超声波燃气表，能够准确的接收回波信号，测量飞行时间与温度，为民有燃气和小规模工业燃气计量提供了一种价格低廉、体积小，使用安全可靠的一种新的手段；也为燃气表全电子化提供了可能，为实现燃气表按标准状况下的结算和电子远传提供了方便。