多声道超声气体流量计的电路设计

　　在利用超声波来测量气体流量时, 为了比较准确地反映气体的流速分布情况, 一般采用多声道的测量方法。在多声道超声气体流量计中, 声道的布置方式有平行、对角和网络方式, 每种方式可根据实际测量需要布置不同的声道数量。不同声道数目的超声气体流量计, 在单个声道上测流原理是一致的, 因此在具体电路实现上有很多类似的地方, 如超声信号的发射接收、超声信号的处理和识别等都可以采用同样的电路模块。将设计的电路在声道数量上进行适当的扩展, 然后在计算流速和流量时选择合适的加权积分方法, 就可以设计出不同声道数目的超声流量计。

　　1 多声道超声气体流量计的测量原理

　　对于单声道而言, 采用时差法测量流量。其测量原理如图 1(a) 所示, 由超声换能器 a 和 b 交替发射和接收超声波, 得到逆顺流传播的时间差为:

　　2 电路设计

　　系统采用了 ATMEL 公司的 AT89S51 微控制器(MCU) , 它是一种低功耗, 高性能 CMOS 8 位单片机, 片内含 4k BytesISP(In- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash只读程序存储器。系统的电路组成如图 2 所示, 主要由单片机及其外围电路、发射脉冲驱动电路、超声传感器切换电路、信号接收放大电路以及超声信号识别电路组成。

　　系统的工作流程为: ①系统上电复位后, 单片机向传感器切换电路发控制信号, 选择好某路超声换能器进入发射状态, 与之对应的那路超声传感器连接到接收电路; ②单片机发出一个单脉冲, 通过驱动电路后进入超声换能器, 使其发出超声波; ③过了一个预定的时间后, 单片机向超声波接收电路发控制信号, 使接收电路开始工作; ④所得超声信号经过放大后, 由超声信号识别电路识别出超声波信号的到达时刻; ⑤通过单片机选择其他的超声换能器进入发射状态, 然后重复步骤②到步骤④, 便可得到各个声道的时差数据; ⑥单片机利用这些时差数据以及多声道的流速和流量公式计算出流速及流量。

　　下面分别就发射脉冲驱动电路、传感器切换电路、超声信号接收放大电路和信号识别电路进行详细讨论。

　　2.1 发射脉冲驱动电路

　　根据超声波在气体中的传播特性, 选用 40KHz 的超声传感器。如图 3(a) , 选用 6N137 将发射电路与单片机进行光电隔离, 用 VMOS 场效应管 IRF840 作为开关元件, 用 ON 公司MC33152 芯片作场效应管的前级驱动。发射单脉冲前场效应管截止, 超声传感器的压电晶体被充电, 将电能转换成机械弹性势能贮存。当单片机的单脉冲到达时, MC33152 将该单脉冲电平提升至 15V, 使 IRF840 导通。此时相当于将超声传感器的两端短接, 压电晶体对地放电, 晶体弹性势能即转变为振动动能, 传感器发出超声波。单片机发出的单脉冲信号见图 3(b) 。