天然气流量检测系统

技术领域

本发明涉及气体流量检测技术领域，具体的，涉及天然气流量检测系统。

背景技术

气体超声流量计作为新型的流量仪表，具有压损小、无可动部件、量程比宽、测量精度高、结构简单等优点，已广泛应用于燃气工业领域，成为天然气生产运输中主要的计量仪表。然而，在天然气输送管网中，超声波传输过程衰减程度大，回波信号易受噪声干扰，且不同流速下衰减程度不同，导致大流速下回波信号抖动严重，回波信号在复杂工况下发生变化，从而影响了对超声回波信号的测量，导致流量测量的准确性和稳定性变差。

发明内容

本发明提出天然气流量检测系统，解决了相关技术中气体超声流量检测准确性和稳定性差的问题。

本发明的技术方案如下：

天然气流量检测系统，包括主控单元、超声发射电路和超声接收电路，所述超声发射电路和所述超声接收电路均与所述主控单元连接，所述超声发射电路包括开关管Q1、开关管Q2、变压器T1、超声发射探头X1和电阻R4，

所述开关管Q1的控制端连接所述开关管Q2的控制端，所述开关管Q1的控制端连接所述主控单元的第一输出端，所述开关管Q1的第一端连接12V电源，所述开关管Q1的第二端连接所述变压器T1的第一输入端，所述开关管Q1的第二端连接所述开关管Q2的第一端，所述开关管Q2的第二端接地，所述变压器T1的第二输入端接地，所述变压器T1的第一输出端连接所述超声发射探头X1的第一端，所述超声发射探头X1的第二端通过所述电阻R4接地，所述超声发射探头X1的第二端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中所述主控单元和所述开关管Q1的控制端之间还设有驱动电路，所述驱动电路包括光耦U1、电阻R5、电阻R6和驱动器U2，所述光耦U1的第一输入端通过所述电阻R5连接5V电源，所述光耦U1的第二输入端连接所述主控单元的第一首输出端，所述光耦U1的第一输出端通过所述电阻R6连接5V电源，所述光耦U1的第二输出端接地，所述光耦U1的第一输出端连接所述驱动器U2的输入端，所述驱动器U2的输出端连接所述开关管Q1的控制端。

进一步，本发明中所述驱动电路还包括电阻R7、开关管Q3和发光二极管LED1，所述电阻R7的第一端连接所述驱动器U2的故障输出端，所述电阻R7的第二端连接所述开关管Q3的控制端，所述开关管Q3的第一端连接9V电源，所述开关管Q3的第二端连接所述发光二极管LED1的阳极，所述发光二极管LED1的阴极接地。

进一步，本发明中所述超声接收电路包括超声接收探头X2、电阻R16、电阻R17、运放U4和电阻R18，所述运放U4的反相输入端通过所述电阻R16连接所述超声接收探头X2的第一端，所述运放U4的同相输入端通过所述电阻R17连接所述超声接收探头X2的第二端，所述运放U4的输出端通过所述电阻R18连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

进一步，本发明中所述超声接收电路还包括电阻R19、电容C6、电容C5、电阻R22、运放U5、电阻R20和电阻R21，所述电阻R19的第一端连接所述运放U4的输出端，所述电阻R19的第二端通过所述电容C6连接所述运放U5的反相输入端，所述电阻R19的第二端通过所述电容C5接地，所述运放U5同相输入端通过所述电阻R22接地，所述运放U5的输出端通过所述电阻R21连接所述电阻R19的第二端，所述运放U5的输出端通过所述电阻R20连接所述运放U5的反相输入端，所述运放U5的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

进一步，本发明中还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括温度传感器P1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、运放U3和电阻R14，所述温度传感器P1的第一端通过所述电阻R8连接5V电源，所述温度传感器P1的第二端通过所述电阻R11连接所述运放U3的同相输入端，所述温度传感器P1的第三端接地，所述电阻R9的第一端连接5V电源，所述电阻R9的第二端通过所述电阻R10接地，所述运放U3的反相输入端通过所述电阻R13连接所述电阻R9的第二端，所述运放U3的输出端通过所述电阻R14连接所述运放U3的反相输入端，所述运放U3的输出端连接所述主控单元的第三输入端。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，天然气流量检测系统用于检测天然气在管道中的流量，超声发射电路用于发出超声波信号，超声接收电路用于接收超声回波信号，并将接收到的超声回波信号送至主控单元，天然气在管道中流量发生改变时，超声接收电路接收到超声回波信号的时间同样发生变化，主控单元根据接收到超声回波信号的时间判断管道中天然气流量的大小。

超声发射电路的工作原理为：主控单元输出PWM控制信号加至开关管Q1和开关管Q2的控制端，开关管Q1和开关管Q2构成推挽电路，用于提高足够的电压驱动变压器T1工作，当PWM控制信号为低电平时，开关管Q1截止，开关管Q2导通，变压器T1的输入端没有电压，因此，超声发射探头X1不工作；当PWM控制信号为高电平时，开关管Q1导通，开关管Q2截止，12V电源经开关管Q1加至变压器T1的第一输入端，变压器T1为升压变压器，这时变压器T1的输出端产生感应电压加至超声发射探头X1的两端，超声发射探头X1发出超声波信号，当PWM控制信号再次变为低电平时，超声发射探头X1停止工作，依次形成循环。

超声波在天然气介质中传播时，回波信号衰减严重，如果超声发射探头X1没有足够的超声波输出强度，会导致回波信号直接被淹没，从而使超声接收电路无法正常接收到超声回波信号。本发明中，变压器T1能够为超声发射探头X1提供足够的激励电压，保证超声发射探头X1有足够的超声波输出强度。电阻R4用于检测流过超声发射探头X1电流的大小，在电压满足的情况下，如果流过超声发射探头X1的电流同样会导致输出超声波信号的强度变弱，如果流过超声发射探头X1的电流过大，可能会将超声探头X1烧坏，因此通过采集电阻R4上的电压即可判断超声发射探头X1上的电流大小，主控单元根据电阻R4上的电压大小改变输出PWM控制信号的占空比，即改变开关管Q1和开关管Q2的导通和截止时间，从而改变流过超声发射探头X1的平均电流，使流过超声发射探头X1的电流稳定不变，保证输出的超声波信号更加稳定，从而提高了气体超声流量检测的准确性和稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中超声发射电路的电路图；

图2为本发明中驱动电路的电路图；

图3为本发明中超声接收电路的电路图；

图4为本发明中温度补偿电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了天然气流量检测系统，包括主控单元、超声发射电路和超声接收电路，超声发射电路和超声接收电路均与主控单元连接，超声发射电路包括开关管Q1、开关管Q2、变压器T1、超声发射探头X1和电阻R4，开关管Q1的控制端连接开关管Q2的控制端，开关管Q1的控制端连接主控单元的第一输出端，开关管Q1的第一端连接12V电源，开关管Q1的第二端连接变压器T1的第一输入端，开关管Q1的第二端连接开关管Q2的第一端，开关管Q2的第二端接地，变压器T1的第二输入端接地，变压器T1的第一输出端连接超声发射探头X1的第一端，超声发射探头X1的第二端通过电阻R4接地，超声发射探头X1的第二端连接主控单元的第一输入端。

天然气流量检测系统用于检测天然气在管道中的流量，超声发射电路用于发出超声波信号，超声接收电路用于接收超声回波信号，并将接收到的超声回波信号送至主控单元，天然气在管道中流量发生改变时，超声接收电路接收到超声回波信号的时间同样发生变化，主控单元根据接收到超声回波信号的时间判断管道中天然气流量的大小。

具体的，超声发射电路的工作原理为：主控单元输出PWM控制信号加至开关管Q1和开关管Q2的控制端，开关管Q1和开关管Q2构成推挽电路，用于提高足够的电压驱动变压器T1工作，当PWM控制信号为低电平时，开关管Q1截止，开关管Q2导通，变压器T1的输入端没有电压，因此，超声发射探头X1不工作；当PWM控制信号为高电平时，开关管Q1导通，开关管Q2截止，12V电源经开关管Q1加至变压器T1的第一输入端，变压器T1为升压变压器，这时变压器T1的输出端产生感应电压加至超声发射探头X1的两端，超声发射探头X1发出超声波信号，当PWM控制信号再次变为低电平时，超声发射探头X1停止工作，依次形成循环。

超声波在天然气介质中传播时，回波信号衰减严重，如果超声发射探头X1没有足够的超声波输出强度，会导致回波信号直接被淹没，从而使超声接收电路无法正常接收到超声回波信号。本实施例中，变压器T1能够为超声发射探头X1提供足够的激励电压，保证超声发射探头X1有足够的超声波输出强度。电阻R4用于检测流过超声发射探头X1电流的大小，在电压满足的情况下，如果流过超声发射探头X1的电流同样会导致输出超声波信号的强度变弱，如果流过超声发射探头X1的电流过大，可能会将超声探头X1烧坏，因此通过采集电阻R4上的电压即可判断超声发射探头X1上的电流大小，主控单元根据电阻R4上的电压大小改变输出PWM控制信号的占空比，即改变开关管Q1和开关管Q2的导通和截止时间，从而改变流过超声发射探头X1的平均电流，使流过超声发射探头X1的电流稳定不变，保证输出的超声波信号更加稳定。

其中二极管D1和二极管D2起到保护作用，防止回波信号对超声发射电路造成串扰；变压器T1的输出线圈、电容C7和电阻R1构成阻抗匹配电路，使超声发射探头X1工作在最佳的工作频率。

如图2所示，本实施例中主控单元和开关管Q1的控制端之间还设有驱动电路，驱动电路包括光耦U1、电阻R5、电阻R6和驱动器U2，光耦U1的第一输入端通过电阻R5连接5V电源，光耦U1的第二输入端连接主控单元的第一首输出端，光耦U1的第一输出端通过电阻R6连接5V电源，光耦U1的第二输出端接地，光耦U1的第一输出端连接驱动器U2的输入端，驱动器U2的输出端连接开关管Q1的控制端。

本实施例中，主控单元输出的PWM控制信号的驱动能力较弱，且容易收到其它信号的干扰，因此，本实施例在主控单元和开关管Q1的控制端之间添加了驱动电路。

驱动电路由光耦U1和驱动器U2构成，光耦U1起到信号隔离的作用，防止后级电路对主控单元输出的PWM控制信号产生干扰，当PWM控制信号为低电平时，光耦U1导通，光耦U1的第一输出端为低电平，当PWM控制信号为高电平时光耦U1截止，光耦U1的第一输出端为高电平。驱动器U2用于提高PWM控制信号的驱动能力，当光耦的第一输出端为高电平时，驱动器U2的输入端为高电平，驱动器U2输出高电平信号加至开关管Q1和开关管Q2的控制端，当驱动器U2的输入端为低电平时，驱动器U2输出低电平；本实施例中，驱动器U2还可以起到过流保护的作用，当驱动电流过大时，自动关断输出，对开关管Q1和开关管Q2起到保护作用，防止电流过大对开关管Q1和开关管Q2造成损坏。

如图2所示，本实施例中驱动电路还包括电阻R7、开关管Q3和发光二极管LED1，电阻R7的第一端连接驱动器U2的故障输出端（FLT/OUT引脚），电阻R7的第二端连接开关管Q3的控制端，开关管Q3的第一端连接9V电源，开关管Q3的第二端连接发光二极管LED1的阳极，发光二极管LED1的阴极接地。

本实施例中，当驱动电路的驱动电流过大时，驱动器U2的故障输出端（FLT/OUT引脚）输出高电平信号，开关管Q3导通，发光二极管LED1发光，起到报警作用，当驱动电流正常时，驱动器U2的故障输出端（FLT/OUT引脚）输出低电平信号，开关管Q3截止。

如图3所示，本实施例中超声接收电路包括超声接收探头X2、电阻R16、电阻R17、运放U4和电阻R18，运放U4的反相输入端通过电阻R16连接超声接收探头X2的第一端，运放U4的同相输入端通过电阻R17连接超声接收探头X2的第二端，运放U4的输出端通过电阻R18连接运放U4的反相输入端，运放U4的输出端连接主控单元的第二输入端。

超声接收电路中，超声接收探头X2用于接收超声回波信号，并将接收到的超声回波信号转为电信号输出，但超声接收探头X2输出的电信号比较微弱，无法被主控单元有效识别，因此运放U4构成了差分放大电路，用于放大超声接收探头X2输出的电信号，同时差分放大电路对共模干扰有一定的抑制作用，然后将放大后的电信号送至主控单元。

如图3所示，本实施例中超声接收电路还包括电阻R19、电容C6、电容C5、电阻R22、运放U5、电阻R20和电阻R21，电阻R19的第一端连接运放U4的输出端，电阻R19的第二端通过电容C6连接运放U5的反相输入端，电阻R19的第二端通过电容C5接地，运放U5同相输入端通过电阻R22接地，运放U5的输出端通过电阻R21连接电阻R19的第二端，运放U5的输出端通过电阻R20连接运放U5的反相输入端，运放U5的输出端连接主控单元的第二输入端。

本实施例中，运放U4构成差分放大电路对干扰信号有一定的抑制作用，但其抑制干扰信号的能力有限，仍有部分干扰信号被运放U4放大后送至主控单元，这将影响天然气流量检测的精度，因此，在运放U4的输出端和主控单元的第二输入端之间加入滤波电路。

滤波电路由电阻R19、电容C6、电容C5、电阻R22、运放U5、电阻R20和电阻R21构成，用于滤除运放U4输出信号中的噪声干扰以及高频干扰。最终将滤波后的电信号送至主控单元。

如图4所示，本实施例中还包括温度补偿电路，温度补偿电路包括温度传感器P1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、运放U3和电阻R14，温度传感器P1的第一端通过电阻R8连接5V电源，温度传感器P1的第二端通过电阻R11连接运放U3的同相输入端，温度传感器P1的第三端接地，电阻R9的第一端连接5V电源，电阻R9的第二端通过电阻R10接地，运放U3的反相输入端通过电阻R13连接电阻R9的第二端，运放U3的输出端通过电阻R14连接运放U3的反相输入端，运放U3的输出端连接主控单元的第三输入端。

超声波的传播速度会收到温度的影响，为了保证天然气测量流量的精度，在检测流量时须对温度进行补偿。因此，本实施例添加了温度补偿电路，对天然气流量进行校正。

温度传感器P1用于检测温度变化，并将检测到的温度信号转为电信号输出，温度传感器P1、电阻R8、电阻R9和电阻R10构成电桥，常温状态下，电桥处于平衡状态，运放U3的输入端为0，因此，运放U3输出也为0。当温度发生变化时，温度传感器P1输出的电信号发生变化，运放U3的输入端产生压差，经运放U3放大后输出至主控单元的第三输入端，主控单元根据接收到电信号的大小判断温度的高低，从而对天然气流量做出相应的校正，进一步保证流量检测的精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。