一種換能器斷線檢測方法及系統的製作方法
2023-09-19 17:18:25
一種換能器斷線檢測方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種換能器斷線檢測方法及系統，該方法包括：超聲脈衝發生器產生脈衝信號，所述脈衝信號通過換能器驅動器驅動換能器，使所述換能器按所述脈衝信號的個數配置發送相應個數的超聲脈衝；當所述超聲脈衝發送結束後，打開窗口邏輯，使用測量控制模塊對電壓比較放大器輸出的餘振脈衝進行測量，通過計算相鄰餘振脈衝的時間差或餘振脈衝的個數來判斷換能器是否斷線。本發明利用換能器本身的特性，在檢測換能器斷線的同時，還能對空管進行判斷，極大提高了超聲波計量儀表的適應能力。
【專利說明】一種換能器斷線檢測方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及計量測量領域，具體涉及一種運用超聲波原理測量的換能器斷線檢測方法及系統。
【背景技術】
[0002]運用超聲波原理測量流體速度和流量具有精度高、可靠性好、無任何活動部件等優點，可廣泛替代傳統的機械運動式測量。超聲波計量儀表由測量控制模塊和安裝了兩個超聲波換能器的測量管件組成。由於它們的連接用到外部導線，需要對連接的可靠性以及換能器的好壞進行檢測，並且需要當出現故障無法測量時進行報告。
[0003]超聲波換能器是一種將電能和機械能進行相互轉換的器件，其在停止激勵後仍存在短時間餘振，並且能夠將機械振動轉換為微弱電信號。根據這個原理，測量控制模塊在發出超聲脈衝後，馬上檢測換能器上傳回的電信號，如果存在超聲振動，則可認為超聲波換能器工作正常。反之，如果檢測不到，則表明連線中斷，或者超聲波換能器失效。
[0004]圖1是一種常見的超聲波測量系統結構圖。在測量流速時，換能器A和換能器B互為收發，測量超聲脈衝從一個換能器發出，到達另一個換能器為止。
[0005]現有技術有兩種斷線檢測方法:1)在換能器的兩極跨接一個電阻，在換能器驅動器中加上拉電阻(其阻值遠小於所跨接的電阻的阻值)並判斷連線上的邏輯值，如果為O則表明沒有斷線；2)不加任何器件正常測量，如果在接收端檢測不到超聲波，則認為測量條件不成立。
[0006]上述方法存在一些限制:方法I檢測的其實是連線加電阻是否斷開，而沒有顧及到換能器，有可能漏判；方法2無法將空管和斷線區分開，分辨能力不夠，需另外增加空管檢測電路。
【發明內容】
[0007](一)要解決的技術問題
[0008]本發明主要解決現有技術中換能器斷線檢測時有可能漏判、分辯能力不夠、以及需要另外增加檢測電路的技術問題。
[0009](二)技術方案
[0010]本發明提供了一種換能器斷線檢測方法，用於包含換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊的超聲測量系統，包括以下步驟:
[0011]S1、所述超聲脈衝發生器產生脈衝信號，所述脈衝信號通過所述換能器驅動器驅動所述換能器，使所述換能器按所述脈衝信號的個數配置發送相應個數的超聲脈衝；
[0012]S2、當所述超聲脈衝發送結束後，打開所述窗口邏輯，使用所述測量控制模塊對所述電壓比較放大器輸出的餘振脈衝進行測量，通過計算相鄰餘振脈衝的時間差或餘振脈衝的個數來判斷換能器是否斷線。[0013]可選的，在所述步驟SI之前，進一步包括以下步驟:
[0014]在所述換能器和所述電壓比較放大器之間增加鉗位二極體。
[0015]可選的，所述步驟S2具體包括:
[0016]當所述超聲脈衝發送結束後，使用所述測量控制模塊測量所述電壓比較放大器輸出的連續幾個餘振脈衝的上升沿或下降沿距離所述換能器發出超聲脈衝的時間，得到若干時間值，如果所述相鄰時間值的差與所述超聲脈衝的周期或者半周期一致，則表明所述換能器連接正常。
[0017]可選的，在上述步驟S2之後，進一步包括空管檢測的步驟:
[0018]如果在所述換能器發出超聲脈衝結束後，延遲預定時間打開所述窗口邏輯仍可以檢測到餘振脈衝，則表明空管。
[0019]可選的，所述步驟S2具體包括:
[0020]當所述超聲脈衝發送結束後，至所述超聲脈衝到達另一個換能器的時間內，使用餘振計數器計算餘振脈衝上升沿或下降沿的個數，根據計數值判斷是否有餘振、以及振動時間的長短，從而判斷是否空管、是否斷線。
[0021]本發明還提供了一種換能器斷線檢測系統，該系統包括第一換能器、第二換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊，其中:
[0022]所述第一換能器和第二換能器互為收發，用於將機械振動轉換為電信號；
[0023]所述換能器驅動器與所述換能器和所述測量控制模塊相連，用於驅動換能器工作；
[0024]所述測量控制模塊與所述超聲脈衝發生器、所述時間測量模塊和所述換能器驅動器相連，用於測量餘振脈衝信號；
[0025]所述超聲脈衝發生器與所述測量控制模塊和所述時間測量模塊相連，用於產生脈衝信號；
[0026]所述參考電壓發生器與所述電壓比較放大器相連，用於輸出標準參考電壓；
[0027]所述電壓比較放大器與所述第一換能器、所述第二換能器、所述參考電壓發生器和所述窗口邏輯相連，用於比較餘振電壓信號和參考電壓；
[0028]所述窗口邏輯與所述電壓比較放大器和所述時間測量模塊相連，用於控制開始測量餘振信號的時機；
[0029]所述時間測量模塊與所述窗口邏輯、所述超聲脈衝發生器和所述測量控制模塊相連，用於進行時間測量。
[0030]可選的，在所述第一換能器或第二換能器與所述電壓比較放大器之間，增加一個鉗位二極體，用於防止餘振期間產生過高的電壓。
[0031]可選的，在所述測量控制模塊和所述電壓比較放大器之間，增加一個餘振計數器，用於計算餘振脈衝的個數。
[0032](三)有益效果
[0033]本發明利用換能器本身的特性，在檢測換能器斷線/失效的同時，還能對空管進行判斷，極大提高了超聲波計量儀表的適應能力。【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是常見的超聲波測量系統結構圖；
[0035]圖2是本發明方法的流程圖；
[0036]圖3是實施例1中的超聲波測量系統結構圖；
[0037]圖4是實施例1中的餘振測量示意圖；
[0038]圖5是實施例2中的超聲波測量系統結構圖；
[0039]圖6是實施例2中的餘振測量示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
[0041]圖2是本發明方法的流程圖，本發明提供了一種換能器斷線檢測方法，用於包含換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊的超聲測量系統，包括以下步驟:
[0042]S1、所述超聲脈衝發生器產生脈衝信號，所述脈衝信號通過所述換能器驅動器驅動所述換能器，使所述換能器按所述脈衝信號的個數配置發送相應個數的超聲脈衝；
[0043]S2、當所述超聲脈衝發送結束後，打開所述窗口邏輯，使用所述測量控制模塊對所述電壓比較放大器輸出的餘振脈衝進行測量，通過計算相鄰餘振脈衝的時間差或餘振脈衝的個數來判斷換能器是否斷線。
[0044]可選的，在所述步驟SI之前，進一步包括以下步驟:
[0045]在所述換能器和所述電壓比較放大器之間增加鉗位二極體。
[0046]可選的，所述步驟S2具體包括:
[0047]當所述超聲脈衝發送結束後，使用所述測量控制模塊測量所述電壓比較放大器輸出的連續幾個餘振脈衝的上升沿或下降沿距離所述換能器發出超聲脈衝的時間，得到若干時間值，如果所述相鄰時間值的差與所述超聲脈衝的周期或者半周期一致，則表明所述換能器連接正常。
[0048]可選的，在上述步驟S2之後，進一步包括空管檢測的步驟:
[0049]如果在所述換能器發出超聲脈衝結束後，延遲預定時間打開所述窗口邏輯仍可以檢測到餘振脈衝，則表明空管。
[0050]可選的，所述步驟S2具體包括:
[0051]當所述超聲脈衝發送結束後，至所述超聲脈衝到達另一個換能器的時間內，使用餘振計數器計算餘振脈衝上升沿或下降沿的個數，根據計數值判斷是否有餘振、以及振動時間的長短，從而判斷是否空管、是否斷線。
[0052]本發明還提供了一種換能器斷線檢測系統，該系統包括第一換能器、第二換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊，其中:
[0053]所述第一換能器和第二換能器互為收發，用於將機械振動轉換為電信號；
[0054]所述換能器驅動器與所述換能器和所述測量控制模塊相連，用於驅動換能器工作；[0055]所述測量控制模塊與所述超聲脈衝發生器、所述時間測量模塊和所述換能器驅動器相連，用於測量餘振脈衝信號；
[0056]所述超聲脈衝發生器與所述測量控制模塊和所述時間測量模塊相連，用於產生脈衝信號；
[0057]所述參考電壓發生器與所述電壓比較放大器相連，用於輸出標準參考電壓；
[0058]所述電壓比較放大器與所述第一換能器、所述第二換能器、所述參考電壓發生器和所述窗口邏輯相連，用於比較餘振電壓信號和參考電壓；
[0059]所述窗口邏輯與所述電壓比較放大器和所述時間測量模塊相連，用於控制開始測量餘振信號的時機；
[0060]所述時間測量模塊與所述窗口邏輯、所述超聲脈衝發生器和所述測量控制模塊相連，用於進行時間測量。
[0061]可選的，在所述第一換能器或第二換能器與所述電壓比較放大器之間，增加一個鉗位二極體，用於防止餘振期間產生過高的電壓。
[0062]可選的，在所述測量控制模塊和所述電壓比較放大器之間，增加一個餘振計數器，用於計算餘振脈衝的個數。
[0063]實施例1:
[0064]如圖3所示，相對常見的超聲測量系統，進行以下改動:
[0065]a)在換能器的Stop輸入處增加鉗位二極體，以防止換能器餘振期間產生過高的電壓，導致模擬開關漏電；
[0066]b)修改測量控制模塊的邏輯，按以下步驟進行測量(以檢測換能器A斷線為例):
[0067]I)給電容Ca充電:參考電壓發生器輸出標準參考電壓,模擬開關Sa/Sc閉合,換能器驅動器Da輸出驅動為低。
[0068]2 )換能器A發超聲波:斷開Sc，參考電壓發生器輸出比標準參考電壓高一些(如高20mV)的電壓，以減少環境幹擾，超聲脈衝發生器的脈衝信號通過換能器驅動器Da驅動換能器A，按脈衝個數配置輸出相應個數的超聲脈衝。
[0069]3)餘振測量:在超聲脈衝發送結束後，打開窗口邏輯，用測量模塊測量比較放大器輸出的連續幾個脈衝沿(上沿或下沿)距離發波的時間，測量得到若干時間值T1/T2/T3，如果它們的差與超聲脈衝的周期(或者半周期)一致，則意味著stop輸入檢測到餘振信號，表明換能器連接正常。圖4是本實施例中的餘振測量示意圖。
[0070]4)空管測量:餘振時間與管道狀態相關，流體滿管時餘振時間短，反之則長，如果在發波結束後延遲一段時間打開窗口邏輯，並且時間測量模塊仍可以檢測到餘振，則表明空管。
[0071]實施例2:
[0072]如圖4所示，本實施例在上述實施例的基礎上增加了一個餘波計數器，達到在正常測量的同時檢測斷線和空管的功能。
[0073]下面以測量從換能器A到換能器B的超聲傳播延遲為例，介紹測量的步驟:
[0074]I)給電容Ca和Cb充電:參考電壓發生器輸出標準參考電壓，模擬開關Sa/Sb/Sc閉合，換能器驅動器Da/Db輸出驅動為低。
[0075]2)換能器A發超聲波:斷開Sc和Sb，參考電壓發生器輸出比標準參考電壓高一些(如高20mV)的電壓，以減少環境幹擾，超聲脈衝發生器的脈衝信號通過換能器驅動器Da驅動換能器A，按脈衝個數配置輸出相應個數的超聲脈衝。
[0076]3)餘振測量:將超聲脈衝發送結束，聲波還未傳播到換能器B的一段時間定義為餘振計數時間，由余振計數器計算比較放大器所輸出的上升沿個數。根據計數值，可直接判斷是否有餘振，以及振動時間的長短，從而判斷是否空管、是否斷線。圖6是本實施例中的餘振測量示意圖。
[0077]4)時差測量:斷開Sa，接通Sb，使用常規的方法測量聲波到達換能器B端的時間。
[0078]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種換能器斷線檢測方法，用於包含換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊的超聲測量系統，其特徵在於，包括以下步驟: S1、所述超聲脈衝發生器產生脈衝信號，所述脈衝信號通過所述換能器驅動器驅動所述換能器，使所述換能器按所述脈衝信號的個數配置發送相應個數的超聲脈衝； S2、當所述超聲脈衝發送結束後，打開所述窗口邏輯，使用所述測量控制模塊對所述電壓比較放大器輸出的餘振脈衝進行測量，通過計算相鄰餘振脈衝的時間差或餘振脈衝的個數來判斷換能器是否斷線。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟SI之前，進一步包括以下步驟: 在所述換能器和所述電壓比較放大器之間增加鉗位二極體。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2具體包括: 當所述超聲脈衝發送結束後，使用所述測量控制模塊測量所述電壓比較放大器輸出的連續幾個餘振脈衝的上升沿或下降沿距離所述換能器發出超聲脈衝的時間，得到若干時間值，如果所述相鄰時間值的差與所述超聲脈衝的周期或者半周期一致，則表明所述換能器連接正常。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在所述步驟S2之後，進一步包括空管檢測的步驟: 如果在所述換能器發出超聲脈衝結束後，延遲預定時間打開所述窗口邏輯仍可以檢測到餘振脈衝，則表明空管。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2具體包括: 當所述超聲脈衝發送結束後，至所述超聲脈衝到達另一個換能器的時間內，使用餘振計數器計算餘振脈衝上升沿或下降沿的個數，根據計數值判斷是否有餘振、以及振動時間的長短，從而判斷是否空管、是否斷線。
6.一種換能器斷線檢測系統，其特徵在於，該系統包括第一換能器、第二換能器、換能器驅動器、測量控制模塊、超聲脈衝發生器、參考電壓發生器、電壓比較放大器、窗口邏輯和時間測量模塊，其中: 所述第一換能器和第二換能器互為收發，用於將機械振動轉換為電信號； 所述換能器驅動器與所述換能器和所述測量控制模塊相連，用於驅動換能器工作； 所述測量控制模塊與所述超聲脈衝發生器、所述時間測量模塊和所述換能器驅動器相連，用於測量餘振脈衝信號； 所述超聲脈衝發生器與所述測量控制模塊和所述時間測量模塊相連，用於產生脈衝信號; 所述參考電壓發生器與所述電壓比較放大器相連，用於輸出標準參考電壓； 所述電壓比較放大器與所述第一換能器、所述第二換能器、所述參考電壓發生器和所述窗口邏輯相連，用於比較餘振電壓信號和參考電壓； 所述窗口邏輯與所述電壓比較放大器和所述時間測量模塊相連，用於控制開始測量餘振信號的時機； 所述時間測量模塊與所述窗口邏輯、所述超聲脈衝發生器和所述測量控制模塊相連，用於進行時間測量。
7.如權利要求6所述的系統，其特徵在於，在所述第一換能器或第二換能器與所述電壓比較放大器之間，增加一個鉗位二極體，用於防止餘振期間產生過高的電壓。
8.如權利要求6或7所述的系統，其特徵在於，在所述測量控制模塊和所述電壓比較放大器之間，增加一個餘振計數 器，用於計算餘振脈衝的個數。
【文檔編號】G01R31/02GK103901310SQ201210570110
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年12月25日
【發明者】宋財華, 王賢妮, 徐君 申請人:江西三川水錶股份有限公司