[發明專利]測量管道內超聲波飛行時間的系統及方法

在審

• 申請號: 202011014473.9
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112147620A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 侯懷書;張毅;陸頂;方建飛;余曉東
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01S7/527;G01P5/24;G01L11/06;G01F1/66
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，包括：

微控制器模塊、超聲波飛行時間測量模塊、超聲波驅動升壓模塊、回波信號A/D轉換模塊及超聲波傳感器，所述超聲波飛行時間測量模塊包括超聲波模擬前端及時間-數字轉換器；

測量第一階段：所述微控制器模塊發出SPI指令至所述超聲波模擬前端使其發出第一激勵脈沖，所述超聲波驅動升壓模塊將所述第一激勵脈沖升壓后發送至超聲波傳感器以發出第一超聲波；接收經介質傳輸的第一超聲波時，超聲波傳感器將接收的超聲波轉換為電信號，再由所述超聲波模擬前端放大后送入所述回波信號A/D轉換模塊以得到數字信號，所述微控制器模塊讀取所述數字信號并提取n個峰值，若大于預設閾值的峰值小于n，則所述微控制器模塊控制所述超聲波模擬前端調整放大增益至重新發送及接收超聲波后所讀取的數字信號的n個峰值均大于預設閾值，n為正整數；

測量第二階段：所述微控制器模塊發出SPI指令至所述時間-數字轉換器，所述時間-數字轉換器向所述超聲波模擬前端發出觸發信號，所述超聲波模擬前端再發出第二激勵脈沖，所述超聲波驅動升壓模塊將所述第二激勵脈沖升壓后發送至超聲波傳感器以發出第二超聲波，同時所述超聲波模擬前端發送開始信號至所述時間-數字轉換器使其開始計時；接收經介質傳輸的第二超聲波時，超聲波傳感器將接收的超聲波轉換為電信號，再發送至所述超聲波模擬前端使其發送停止信號至所述時間-數字轉換器以停止計時，并將停止計時與開始計時之間的時間作為超聲波飛行時間。

2.根據權利要求1所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述微控制器模塊包括STM32F103ZET6微控制器及外圍電路，所述STM32F103ZET6微控制器內預設有預設閾值。

3.根據權利要求2所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述超聲波模擬前端包括TDC1000芯片及外圍電路，所述時間-數字轉換器包括TDC7200芯片及外圍電路。

4.根據權利要求3所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述STM32F103ZET6微控制器與所述TDC1000芯片及TDC7200芯片間的通信方式為SPI通信。

5.根據權利要求1或3或4所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述超聲波模擬前端包括固定增益LNA放大器及可調增益PGA放大器，用于在接收超聲波時將所述電信號進行兩次放大，所述可調增益PGA放大器初始放大增益最小，在需要調整放大增益時由所述微控制器模塊控制所述超聲波模擬前端寫入增大放大增益的命令以使所述可調增益PGA放大器的放大增益增加。

6.根據權利要求1或3或4所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述超聲波驅動升壓模塊用于將3.3V的激勵脈沖升壓至30V。

7.根據權利要求1或3或4所述的測量管道內超聲波飛行時間的系統，其特征在于，所述超聲波傳感器包括設置于管道側壁的第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器及第三超聲波傳感器，所述第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器分別設于管道兩側且之間連線與管道內介質流向呈一銳角；

進行順流或逆流飛行時間測量時，所述第一超聲波傳感器發出所述第二超聲波并由所述第二超聲波傳感器接收經介質傳輸的第二超聲波，或所述第二超聲波傳感器發出第二超聲波并由所述第一超聲波傳感器接收經介質傳輸的第二超聲波；

進行流體壓力所需超聲波飛行時間測量時，所述第三超聲波傳感器用于發送第二超聲波并接收反射回的第二超聲波。