基于Cortex M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】基于Cortex?M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路，涉及管道內(nèi)氣體工況流量以及標(biāo)況流量測(cè)量技術(shù)，適用于天然氣管道氣體工況流量以及標(biāo)況流量的精確測(cè)量。由電源模塊、以及與電源模塊連接的基于Cortex?M3內(nèi)核處理器、時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、兩路超聲探頭、前置接收放大、自動(dòng)增益控制電路、波形整形電路、接收控制電路、發(fā)射控制電路、溫度傳感器、壓力傳感器、按鍵、顯示、RS232通訊接口構(gòu)成，可實(shí)時(shí)測(cè)量氣體的工況流量，并能夠計(jì)算氣體壓縮因子，同時(shí)利用采集的溫度、壓力參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算氣體的標(biāo)況流量，可選擇現(xiàn)場(chǎng)顯示工況或標(biāo)況輸出信息，具有良好的測(cè)量效果，高質(zhì)量的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于Cortex M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于Cortex M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路，涉及管道內(nèi)氣體工況流量以及標(biāo)況流量測(cè)量技術(shù)，適用于天然氣管道氣體工況流量以及標(biāo)況流量的精確測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)西氣東輸工程等大規(guī)模的天然氣管道建設(shè)運(yùn)行投產(chǎn)，商品天然氣貿(mào)易計(jì)量?jī)x表的配備水平不斷提高，時(shí)差法超聲波氣體流量測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)被廣泛應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有的時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)多采用兩片處理器協(xié)同工作，其中一片負(fù)責(zé)換能器驅(qū)動(dòng)和接收信號(hào)的控制，測(cè)量超聲波在各聲道中傳播的時(shí)間，另一片負(fù)責(zé)氣體壓縮因子的計(jì)算、工況流量的計(jì)算以及標(biāo)況流量的計(jì)算，兩片處理器協(xié)同工作的方式對(duì)測(cè)量的實(shí)時(shí)性有一定的影響，而且硬件成本開(kāi)銷(xiāo)大，且占用較大的電路空間；并且超聲傳播時(shí)間測(cè)量電路中多使用石英晶振為時(shí)標(biāo)，由于受加工材料以及制造工藝所限，石英最高頻率僅能達(dá)到幾百M(fèi)Hz，時(shí)間的最小分辨力ns級(jí)，造成電路測(cè)時(shí)的實(shí)時(shí)性精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有測(cè)量電路實(shí)時(shí)性較低的不足，本發(fā)明人經(jīng)研究提出了采用成本低硬件構(gòu)成，且能有效提高電路測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)性測(cè)量精度的基于Cortex M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路，替代使用石英晶振為時(shí)標(biāo)的測(cè)量電路。。
[0005]本實(shí)用新型測(cè)量電路采用高性?xún)r(jià)比的Cortex M3內(nèi)核的處理器和時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片，基于Cortex M3內(nèi)核的處理器為核心，時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片為關(guān)鍵電路，配以電源模塊，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，兩路超聲探頭，前置接收放大，接收控制電路，發(fā)射控制電路，自動(dòng)增益控制電路，波形整形電路，壓力傳感器，按鍵及顯示電路，通訊接口電路構(gòu)成。
[0006]Cortex M3內(nèi)核的處理器內(nèi)置AD單元聯(lián)接電壓輸出型壓力傳感器，采集氣體實(shí)時(shí)壓力信息，為氣體標(biāo)況計(jì)算提供壓力參數(shù)；
[0007]時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片聯(lián)接兩個(gè)PT500鉬電阻或者兩個(gè)PT1000鉬電阻，作為溫度傳感器，其中一個(gè)采集氣體實(shí)時(shí)溫度信息，為氣體標(biāo)況計(jì)算提供溫度參數(shù)；另一個(gè)采集系統(tǒng)內(nèi)部電路工作的溫度，監(jiān)控處理電路的工作環(huán)境；
[0008]本實(shí)用新型測(cè)量電路通訊接口電路為RS232通訊端口，通過(guò)RS232通訊端口讀取氣體組份或者手工輸入氣體組份，Cortex M3內(nèi)核的處理器計(jì)算出壓縮因子，再根據(jù)壓力、溫度參數(shù)，計(jì)算處理后輸出氣體的標(biāo)況流量，可選擇現(xiàn)場(chǎng)顯示輸出工況或標(biāo)況流量。
[0009]本實(shí)用新型測(cè)量電路具備良好的測(cè)量效果，測(cè)量精度工況優(yōu)于I級(jí)，標(biāo)況可達(dá)1.5級(jí)，在長(zhǎng)期工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可測(cè)量多種介質(zhì):天然氣、頁(yè)巖氣，空氣，氫氣等。除天然氣管道氣體工況流量以及標(biāo)況流量的精確測(cè)量外，還可用于工業(yè)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，工廠排風(fēng)系統(tǒng)以及廢氣排放系統(tǒng)?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型測(cè)量電路工作原理示意圖。
[0011]圖2為兩聲道探頭安裝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1所示，基于Cortex M3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路，主要由電源模塊、以及與電源模塊連接的基于Cortex M3內(nèi)核處理器、時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、兩路超聲探頭、前置接收放大、自動(dòng)增益控制電路、波形整形電路、接收控制電路、發(fā)射控制電路、溫度傳感器、壓力傳感器、按鍵、顯示、RS232通訊接口構(gòu)成，其中基于Cortex M3內(nèi)核處理器為STM32F103處理器。STM32F103處理器是一款基于Cortex M3內(nèi)核的高性能32位處理器，72MHz工作頻率，具有單周期乘法和硬件除法功能，其眾多的內(nèi)部資源便于系統(tǒng)構(gòu)造，時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片是ACAM公司的TDC-GP21 (或:GP21)時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片，測(cè)量精度達(dá)到ps級(jí)，適用于時(shí)間精確測(cè)量。
[0013]STM32F103處理器與壓力傳感器、GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、自動(dòng)增益控制電路、接收控制電路、發(fā)射控制電路、RS232通訊電路、顯示、按鍵、電源模塊連接，溫度傳感器與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片連接，波形整形電路與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片和自動(dòng)增益控制電路連接，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、接收控制電路、發(fā)射控制電路、兩路超聲探頭連接，兩路超聲探頭與前置接收放大連接，前置接收放大與自動(dòng)增益控制電路連接。。
[0014]所述發(fā)射控制電路和接收控制電路，與STM32F103通過(guò)I/O總線連接，控制超聲探頭的收發(fā)狀態(tài)。
[0015]所述發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，激勵(lì)超聲探頭發(fā)射超聲波。
[0016]所述兩路超聲探頭為本電路的流量傳感器。
[0017]所述前置接收放大，用于超聲接收的弱信號(hào)放大。
[0018]所述自動(dòng)增益控制電路，與STM32F103處理器通過(guò)I/O總線連接，處理器動(dòng)態(tài)地控制接收超聲信號(hào)合適目標(biāo)值，抑制超聲信號(hào)幅度隨氣體介質(zhì)壓力改變、氣體介質(zhì)流速變化的變化量。
[0019]所述波形整形電路，將超聲接收信號(hào)整形為適合GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片輸入的信號(hào)，作為停止信號(hào)。
[0020]所述按鍵及顯示電路，作為人機(jī)交互接口。
[0021]所述RS232通訊接口，可與組份分析儀或PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0022]STM32F103處理器通過(guò)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換單元聯(lián)接電壓輸出型壓力傳感器，為氣體標(biāo)況計(jì)算提供壓力參數(shù)。
[0023]GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片聯(lián)接兩個(gè)PT500鉬電阻或者兩個(gè)PT1000鉬電阻，其中一個(gè)為氣
體標(biāo)況計(jì)算提供溫度參數(shù)，另一個(gè)監(jiān)控處理電路工作環(huán)境。
[0024]本實(shí)用新型氣體流量測(cè)量電路以STM32F103處理器為核心，GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片為關(guān)鍵部件。STM32F103處理器通過(guò)SPI總線與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片相連，系統(tǒng)上電后，STM32F103處理器完成對(duì)自身和GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片的初始化設(shè)置，通過(guò)I/O總線配置發(fā)射控制電路及接收控制電路，確定兩路超聲探頭的收發(fā)狀態(tài)，兩路超聲探頭為兩聲道四個(gè)探頭均為收發(fā)一體式。如:一聲道兩個(gè)探頭為1A、1B，二聲道兩個(gè)探頭為2A、2B。兩聲道探頭安裝示意如圖2:設(shè)置IA發(fā)射，IB接收，STM32F103處理器給GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送啟動(dòng)命令，通過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)探頭1A，產(chǎn)生超聲波。超聲波在氣體介質(zhì)中，沿一聲道順向傳播，探頭IB接收到的信號(hào)，經(jīng)前置放大，自動(dòng)增益控制電路及波形整形電路后，送到GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片作為停止信號(hào)，這樣GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片可以計(jì)算出超聲波在氣流中的順向傳播時(shí)間，隨即，設(shè)置IB發(fā)射，IA接收，STM32F103處理器再次給GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送啟動(dòng)命令，通過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)探頭1B，產(chǎn)生超聲波。超聲波在氣體介質(zhì)中，沿一聲道逆向傳播，探頭IA接收到的信號(hào)，經(jīng)前置放大，自動(dòng)增益控制電路及波形整形電路后，送到GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片作為停止信號(hào)，這樣GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片可以計(jì)算出超聲波在氣流中的逆向傳播時(shí)間。于是就可得到一聲道順逆?zhèn)鞑サ臅r(shí)間差，同樣原理，亦可得到二聲道順逆?zhèn)鞑サ臅r(shí)間差。利用時(shí)差法原理公式就可以計(jì)算出管道中氣體的工況流量。
[0025]STM32F103處理器通過(guò)RS232通訊端口讀取氣體組分或者手工輸入氣體組分，計(jì)算出壓縮因子，再根據(jù)壓力、溫度參數(shù)，計(jì)算處理后輸出氣體的標(biāo)況流量，可選擇現(xiàn)場(chǎng)顯示輸出工況或標(biāo)況流量。
[0026]以上所述僅為本實(shí)用新型氣體流量測(cè)量電路的實(shí)施例，但并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)均應(yīng)包含在保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于CortexM3內(nèi)核處理器的氣體流量測(cè)量電路，由電源模塊、STM32F103處理器、GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、兩路超聲探頭、前置接收放大、自動(dòng)增益控制電路、波形整形電路、接收控制電路、發(fā)射控制電路、溫度傳感器、壓力傳感器、按鍵、顯示、RS232通訊接口構(gòu)成，其特征在于:STM32F103處理器與壓力傳感器、GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、自動(dòng)增益控制電路、接收控制電路、發(fā)射控制電路、RS232通訊電路、顯示、按鍵、電源模塊連接，溫度傳感器與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片連接，波形整形電路與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片和自動(dòng)增益控制電路連接，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路與GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片、接收控制電路、發(fā)射控制電路、兩路超聲探頭連接，兩路超聲探頭與前置接收放大連接，前置接收放大與自動(dòng)增益控制電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量測(cè)量電路，其特征在于:GP21時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片聯(lián)接兩個(gè)PT500鉬電阻或者兩個(gè)PTlOOO鉬電阻，作為溫度傳感器。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK203732109SQ201420069777
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】幕志國(guó), 左文雄 申請(qǐng)人:上海中核維思儀器儀表有限公司