[发明专利]民用超声波燃气表

权利要求书

1.一种民用超声波燃气表，其特征在于，民用超声波燃气表由数据处理和控制通信单元(100)、时间测量单元(200)、超声波发射/接收切换单元(300)、超声波激励单元(400)、超声波接收单元(500)、换能器一体化结构单元(600)组成；数据处理和控制通信单元(100)与时间测量单元(200)、超声波发射/接收切换单元(300)相连，超声波发射/接收切换单元(300)与时间测量单元(200)、超声波激励单元(400)、超声波接收单元(500)、换能器一体化结构单元(600)相连；

数据处理和控制通信单元(100)控制时间测量单元(200)的运行，读取时间测量单元(200)输出的时间差测量值、通过数据处理和控制通信单元(100)的数据处理和控制模块生成燃气流量和燃气量，经数据处理和控制通信单元(100)的蓝牙通信模块上传燃气流量和燃气量；数据处理和控制通信单元(100)控制超声波发射/接收切换单元(300)模拟开关的断开和闭合，时间测量单元(200)的发射/接收通道经超声波发射/接收切换单元(300)分别接入超声波激励单元(400)、超声波接收单元(500)；超声波激励单元(400)、超声波接收单元(500)经超声波发射/接收切换单元(300)，分别接入换能器一体化结构单元(600)的第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器，或第2发射&接收两用换能器、第1发射&接收两用换能器；

所述的换能器一体化结构单元(600)包括第1发射&接收两用换能器(610)、第2发射&接收两用换能器(620)，第1燃气弯管(630)、第2燃气弯管(640)，n形测管(650)，第1发射&接收两用换能器(610)由LHQ200-3型的第1换能器压电陶瓷传感器(611)、第1换能器声阻抗匹配层(612)组成，第2发射&接收两用换能器(620)由LHQ200-3型的第2换能器压电陶瓷传感器(621)、第2换能器声阻抗匹配层(622)组成；第1发射&接收两用换能器(610)、第2发射&接收两用换能器(620)分别安装在n形测管(650)水平段的左右端；n形测管(650)通过第1燃气弯管(630)、第2燃气弯管(640)接入燃气输送管；

所述的n形测管(650)的水平段的长度L＞＞D，竖直段的长度H＞＞D，其中D为n形测管(650)的管径；

所述的数据处理和控制通信单元(100)包括以MSP430F135芯片为核心的数据处理和控制模块(110)、型号BLE-CC41-A的蓝牙通信模块(120)，MSP430F135脚32、33分别与BLE-CC41-A脚2、1相连；数据处理和控制模块(110)清洗时间测量单元(200)输出的时间差测量值，基于清洗后的时间差数据求燃气流速，以及燃气流量、流量积算得到的燃气量，经蓝牙通信模块(120)上传燃气流量和燃气量；

所述的时间测量单元(200)以TDC_GP21芯片为核心，TDC_GP21脚4、21、28接地，脚14、29接Vcc，R₂₃₀、C₂₃₀、R₂₄₀的一端相连接脚17、18，R₂₃₀的另一端与脚20、19相连，C₂₃₀的另一端接地，R₂₄₀的另一端与脚24、23相连；TDC_GP21脚8、9、10、11、12分别与数据处理和控制模块(110)的MSP430F135脚27、28、31、29、30相连；R₂₁₀、C₂₁₀的一端相连接超声波发射/接收切换单元(300)的ADG1234脚3，R₂₁₀的另一端与TDC_GP21的脚5相连，C₂₁₀的另一端与脚30相连；R₂₂₀、C₂₂₀的一端相连接超声波发射/接收切换单元(300)的ADG1234脚8，R₂₂₀的另一端与TDC_GP21脚6相连，C₂₂₀的另一端与TDC_GP21脚27相连；TDC_GP21的脚5、脚30组成一个超声波通道，TDC_GP21的脚6、脚27组成另一个超声波通道；R₂₄₀的型号为Pt1000铂热电阻，采集燃气温度T；根据燃气温度T修正超声波在该燃气温度下的传播速度U＝U₀×[1+T/273]^0.5＝331.4×[1+T/273]^0.5；生成超声波接收电路的时间接收窗口[0.8t₀，1.2t₀]，t₀为超声波信号从发射端到接收端的理论时间；TDC_GP21在“时间接收窗口”对超声波接收信号使能。

2.根据权利要求1所述的一种民用超声波燃气表，其特征在于，所述的超声波发射/接收切换单元(300)以ADG1234芯片为核心，ADG1234通过脚3、8与时间测量单元(200)相连；ADG1234脚1、10、11、20、15分别与数据处理和控制模块(110)的MSP430F135脚44、45、46、47、48相连，ADG1234脚2和9、脚13分别与超声波激励单元(400)的Urge_In、Urge_Out端相连，ADG1234脚18、脚4和7分别与超声波接收单元(500)的Receive_In、Receive_Out端相连，ADG1234脚12和15、脚14和17分别与换能器一体化结构单元(600)的第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器相连；

超声波发射/接收切换单元(300)执行TDC_GP21脚5和脚30超声波通道、脚6和脚27另一超声波通道的发射/接收通道切换，执行换能器一体化结构单元(600)第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器的发射/接收换能器切换；超声波通道和换能器的两组发射/接收切换，对应四通道单刀双掷模拟开关ADG1234芯片控制脚的两组给定值，与两组给定值相应的ADG1234开关状态见下表：

当控制端为给定值1时，TDC_GP21脚5和脚30超声波通道、脚6和脚27另一超声波通道，第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器的信息流如下：TDC_GP21脚5输出200KHZ方波信号至ADG1234脚D1、D1与S1A闭合，经超声波激励单元(400)至ADG1234脚D3、D3与S3A闭合，S3A输出的信号驱动第1发射&接收两用换能器发射超声波；第2发射&接收两用换能器接收第1发射&接收两用换能器发射的超声波信号、输出至ADG1234脚S4B、S4B与D4闭合，经超声波接收单元(500)至S2B、S2B与D2闭合，D2输出的信号至TDC_GP21脚6；

当控制端给定值2时，TDC_GP21脚5和脚30超声波通道、脚6和脚27另一超声波通道，第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器的信息流如下：TDC_GP21脚5输出200KHZ方波信号至ADG1234脚D2、D2与S2A闭合，经超声波激励单元(400)至ADG1234脚D3、D3与S3B闭合，S3B输出的信号驱动第2发射&接收两用换能器发射超声波；第1发射&接收两用换能器接收第2发射&接收两用换能器发射的超声波信号、输出至ADG1234脚S4A、S4A与D4闭合，经超声波接收单元(500)至S2A、S2A与D2闭合，D2输出的信号至TDC_GP21脚6；

所述的超声波激励单元(400)包括IRL3410绝缘栅型的MOSFET(410)、升压变压器(420)；R₄₁₀、C₄₁₀、R₄₂₀的一端相连接升压变压器(420)原边的一端，R₄₁₀、C₄₁₀的另一端接地，R₄₂₀的另一端接Vcc；MOSFET(410)的源极接地、漏极与升压变压器(420)原边的另一端相连，栅极经R₄₃₀接入Urge_In端；升压变压器(420)副边的两端并联R₄₄₀，副边的一端接地，副边的另一端接入Urge_Out端；时间测量单元(200)的TDC_GP21脚5或脚6口产生的脉冲序列通过Urge_In端输入，当输入脉冲高电平时，MOSFET(410)导通，升压变压器(420)副边不工作，当输入脉冲低电平时，MOSFET(410)截止，升压变压器(420)副边导通，原边能量释放到副边、驱动发射&接收两用换能器发射超声波；

所述的超声波接收单元(500)包括前置放大模块(510)、二阶带通滤波模块(520)、阈值过零检测模块(530)；前置放大模块(510)以AD8221增益可编程放大器为核心，D₅₁₁、D₅₁₂反相并联，并联的一端与Receive_In端、C₅₁₁的一端相连，并联的另一端与-Receive_In端、C₅₁₂的一端相连，C₅₁₁的另一端与R₅₁₁的一端相连后接AD8221脚1、R₅₁₁的另一端接地，C₅₁₂的另一端与R₅₁₂的一端相连后接AD8221脚4、R₅₁₂的另一端接地；AD8221脚8、5、6、7分别接Vcc、-Vcc、地、OUT1端；二阶带通滤波模块(520)以OPA820运放为核心，R₅₂₁、R₅₂₅、C₅₂₁、C₅₂₂的一端相连，R₅₂₁的另一端接OUT1端，R₅₂₂与C₅₂₁、C₅₂₂的另一端相连，C₅₂₂的另一端接地、C₅₂₁的另一端接OPA820脚3；R₅₂₃、R₅₂₄的一端相连，R₅₂₃的另一端接地，R₅₂₄、R₅₂₅的另一端相连接OPA820脚6和OUT2端；

阈值过零检测模块(530)包括以MAX9693为核心带锁存功能的双通道比较器(531)、第1或非门(532)、第2或非门(533)、与门(534)、非门(535)，MAX9693脚7与数据处理和控制模块(110)的MSP430F135脚26相连，MAX9 693脚8、10相连接OUT2端，脚3、9、14接地；数据处理和控制模块(110)的MSP430F135脚58与第1或非门(532)、第2或非门(533)的一个输入端相连，第1或非门(532)另一个输入端与MAX9693脚2相连、第1或非门(532)输出端与MAX9693脚4相连；MAX9693脚1、16分别接与门(534)的两个输入端，与门(534)的输出端接Receive_Out端、非门(535)的输入端，非门(535)的输出端接第2或非门(533)的另一个输入端；阈值过零检测功能的信息流如下：

A通道

数据处理和控制模块(110)的MSP430F135设定OUT2端信号的A通道输入信号参考电平V_参考，V_参考＝阈值；若A通道输入信号端INA+的V_OUT2＞V_参考，V_QAOUT＝5V、与MSP430F135的低电平信号输入第1或非门(532)、或非门(532)输出高电平信号、使MAX9693锁存使能脚4使能、触发锁存信号V_QAOUT；

B通道

B通道输入信号端INB+接地、V＝V_GND＝0，OUT2信号输入B通道参考电平端INB-，B通道与A通道进行相反的比较；若B通道参考电平端INB-的V_OUT2＜0，V_QBOUT＝5V、使MAX9693锁存使能脚13使能、触发锁存信号V_QBOUT；

若A通道的输出V_QAOUT＞0、B通道的输出V_QBOUT＞0，经与门(534)输出高电平、表征OUT2端信号的零点。