專利名稱：超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)兩相流濃度的測量裝置及測量方法，特別涉及一種超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置。
技術(shù)背景在石油、冶金、化工、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，兩相流參數(shù)在線實(shí)時(shí)測量對(duì)生產(chǎn)過程的計(jì)算、控制和可靠運(yùn)行具有重要意義。目前，國內(nèi)外使用的測量裝置及其測量方法的不足之處是，超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量采用兩種裝置，分別測量，測量的數(shù)據(jù)可信度和精度低，抗干擾性差、不能抑制雜散電容干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述技術(shù)不足，提供一種對(duì)超聲波和電容傳感器的兩相流濃度的在線測量，采用電容傳感器和超聲波傳感器結(jié)合的方法，利用數(shù)據(jù)融合原理，提高測量的可信度和精度，該裝置具有精度高，抗干擾性強(qiáng)，能抑制雜散電容干擾的超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置。
本實(shí)用新型解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種由電容傳感器電路、模擬開關(guān)電路、電容傳感器模入通道電路、激勵(lì)源電路、超聲波傳感器電路、超聲波模入通道電路、顯示電路和電源電路組成的超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置，其特點(diǎn)是在測量裝置的系統(tǒng)中設(shè)置中央處理器電路，它包括中央處理器U9、微處理器控制器U8、非門AR3B、AR3C、或門AR6A、晶體振蕩器Y1、按鍵S9、二極管D2、電容C23、C35、C36、電池BT2和電阻R13～R16；U9的1腳接模擬開關(guān)電路中的模擬開關(guān)U2的9腳，4腳接電容傳感器模入通道電路中的光電耦合器AU4的1腳，9腳接AR6A的3腳，11、12腳分別接U8的5、6腳，17腳接超聲波模入通道電路中的模擬開關(guān)U19的8腳，18腳接Y1、C35一端，19腳接Y1另一端和C36的一端，20腳接C36、C35另一端和地，21～28腳分別接顯示電路中的數(shù)碼顯示器DS1～DS4的1～8腳，29、32、33腳分別接顯示電路中的二～四線譯碼器U10A的1、3、2腳，34腳接電容傳感器模入通道電路中的光電耦合器AU2的1腳，35、36腳分別接電容傳感器模入通道電路中的增益可編程放大器U6A的1、2腳，37腳接光電耦合器AU3的1腳，38腳接超聲波模入電路中的光電耦合器AU5的4腳，39腳接電容傳感器模入通道電路中的電感L1、C27一端、DC-DC轉(zhuǎn)換器U11的4腳、C26的正極、R20一端和光電耦合器AU1的3腳，C26的負(fù)極接地，40腳接R16、R15、R13一端、U8的2腳和+5V電源；U8的4腳接R13另一端和R14一端，R14另一端接地，8腳接D2一端和BT2正極，D2另一端接R15另一端，BT2的負(fù)極接地，3腳接地，7腳接AR3C的5腳；AR6A的1腳接AR3B的4腳，2腳接AR3C的6腳；AR3B的3腳接R16的另一端、S9、C23一端，C23另一端接S9另一端和地。
本實(shí)用新型的有益效果是該裝置具有精度高，抗干擾性強(qiáng)，能抑制雜散電容干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩相流濃度的在線測量和濃度的顯示；采用了上、下游被測電容傳感器和超聲波換能器的結(jié)合，利用了數(shù)據(jù)融合的方法，提高了測量的可信度和精確度。
以下結(jié)合附圖以實(shí)施例具體說明。


圖1示超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2示圖1的電容傳感器電路原理圖。
圖3示圖1的模擬開關(guān)電路原理圖。
圖4示圖1的電容傳感器模入通道電路原理圖。
圖5示圖1的中央處理器電路原理圖。
圖6示圖1的激勵(lì)源電路原理圖。
圖7示圖1的超聲波傳感器電路原理圖。
圖8示圖1的超聲波模入通道電路原理圖。
圖9示圖1的顯示電路原理圖。
圖10示圖1的電源電路原理圖。
圖11示圖1的電容模入通道流程框圖。
圖12示圖1的超聲波模入通道流程框圖。
圖中，1-電容傳感器電路；2-模擬開關(guān)電路；3-電容傳感器模入通道電路；4-中央處理器電路；5-激勵(lì)源電路；6-超聲波傳感器電路；7-超聲波模入通道電路；8-顯示電路；9-電源電路；U1-差動(dòng)運(yùn)算放大器；U2-電容的模擬開關(guān)；U3-儀表放大器；U4-D/A轉(zhuǎn)換器；U5A-低通濾波器；U6A-PGA增益可編程放大器；U7、U11、U12、U16-DC-DC轉(zhuǎn)換器；U8-微處理器控制器；U9-中央處理器；U10A-2-4線譯碼器；U13A-低漂放大器；U14-低通濾波器；U15A-二級(jí)放大器；U18、U19-超聲波的模擬開關(guān)；U20A-一級(jí)放大器；U21-帶通濾波器；AR1、AR2、AR4、AR5-運(yùn)算放大器；CAX、CBX-上、下游被測電容傳感器；Cas1、Cbs1-上游極板與地屏敝罩之間的雜散電容；Cas2、Cbs2-下游極板與地屏敝罩之間的雜散電容；S1～S8-開關(guān)；S9-按鍵；AR3A、AR3B、AR3C-非門；AU1～AU5-光電耦合器；D1、D3-穩(wěn)壓二極管；D2、D4～D14-二極管；L1、L2-電感；AR6A-或門；Y1-晶體振蕩器；BT1、BT2-電池；Q1、Q2-三極管；DS1～DS4-數(shù)碼顯示器；T1、T2-變壓器；TR1、TR2-超聲波換能器；F1、F2-超聲波發(fā)生換能器；J1、J2-超聲波接收換能器；R5、R8、R41-可變電阻；R1～R4、R6、R7、R9～R32、R34～R53-電阻；C26、C28、C29、C33、C34、C42、C43、C47、C48-電解電容；C3～C17、C23～C25、C27～C30、C32、C35～C41、C44～C46、C49～C59-電容；具體實(shí)施方式
參照附圖，一種電容傳感器電路1、模擬開關(guān)電路2、電容傳感器模入通道電路3、激勵(lì)源電路5、超聲波傳感器電路6、超聲波模入通道電略7、顯示電路8和電源電路9組成的超聲波和電容傳感器的兩流濃度測量裝置，其特點(diǎn)是在測量裝置的系統(tǒng)中設(shè)置了中央處理電路4(見附圖5)，它包括中央處理器U9、微處理器U8、非門AR3B、AR3C、或門AR6A、晶體振蕩器Y1、按鍵S9、二極管D2、電容C23、C35、C36、電池BT2和電阻R13～R16；U9的1腳接模擬開關(guān)電路2中的模擬開關(guān)U2的9腳，4腳接電容傳感器模入通道電路3中的光電耦合器AU4的1腳，9腳接AR6A的3腳，11、12腳分別接U8的5、6腳，17腳接超聲波模入通道電路7中的模擬開關(guān)U19的8腳，18腳接Y1、C35一端，19腳接Y1另一端和C36的一端，20腳接C36、C35另一端和地，21～28腳分別接顯示電路8中的數(shù)碼顯示器DS1～DS4的1～8腳，29、32、33腳分別接顯示電路8中的二～四線譯碼器U10A的1、3、2腳，34腳接電容傳感器模入通道電路3中的光電耦合器AU2的1腳，35、36腳分別接電容傳感器模入通道電路3中的增益可編程放大器U6A的1、2腳，37腳接光電耦合器AU3的1腳，38腳接超聲波模入電路7中的光電耦合器AU5的4腳，39腳接電容傳感器模入通道電路3中的電感L1、C27一端、DC-DC轉(zhuǎn)換器U11的4腳、C26的正極、R20一端和光電耦合器AU1的3腳，C26的負(fù)極接地，40腳接R16、R15、R13一端、U8的2腳和+5V電源；U8的4腳接R13另一端和R14一端，R14另一端接地，8腳接D2一端和BT2正極，D2另一端接R15另一端，BT2的負(fù)極接地，3腳接地，7腳接AR3C的5腳；AR6A的1腳接AR3B的4腳，2腳接AR3C的6腳；AR3B的3腳接R16的另一端、S9、C23一端，C23另一端接S9的另一端和地。
電容傳感器電路1(見附圖2)，它包括差動(dòng)運(yùn)算放大器U1、運(yùn)算放大器AR1、AR2、AR4、AR5、上、下游被測電容傳感器CAX、CBX、開關(guān)S1～S8、上游極板與地屏敝罩之間的雜散電容Cas1、Cbs1、下游極板與地屏敝罩之間的雜散電容Cas2、Cbs2、電容C3～C9、C20～C22和電阻R1～R4；U1的2腳接AR1的6腳、C5、R1的一端，3腳接AR2的6腳和C7、R3的一端，4腳接C9一端和負(fù)5伏電源，C9的另一端接地，5腳接AR4的6腳和C6、R2一端，6腳接AR5的6腳和C22、R4一端，8腳接地，9、10、12、13腳分別接模擬開關(guān)電路2的電容模擬開關(guān)U2的14、13腳，14腳接地；AR1的2腳接C5、R1的另一端和C3、S3的一端，3腳接C3另一端和地；AR2的2腳接C7、R3的另一端和C4、S4的一端，3腳接C4另一端和地；AR4的2腳接C6、R2的另一端和C20、S5的一端，3腳接C20的另一端和地；AR5的2腳接C22、R4的另一端和C21、S8一端，3腳接C21另一端和地；CAX一端接S3、S4另一端和Cbs1一端，CAX另一端接S1、S2、Cas1一端，Cas1、Cbs1接地，S1另一端接+5V電源，S2另一端接地；CBX一端接S5、S8另一端和Cbs2一端，CBX的另一端接Cas2、S6、S7一端，Cas2、Cbs2接地，S6另一端接+5V電源，S7另一端接地。
模擬開關(guān)電路2(見附圖3)，它包括電容的模擬開關(guān)U2和電容C10、C11；U2的3腳接電容傳感器，傳感器模入通道電路3中的儀表放大器U3的1腳，6腳接+5V電源和C11的一端，C11的另一端接地，7、8腳接地，10、11腳接地，16腳接+5V電源和C10一端，C10另一端接地。
電容傳感器模入通道3(見附圖4)它包括儀表傳感器U3、D/A轉(zhuǎn)換器U4、低通濾波器U5A、PGA增益可編程放大器U6A、DC-DC轉(zhuǎn)換器U11、非門AR3A、光電耦合器AU1～AU4、電感L1、穩(wěn)壓二極管D3、電解電容C26、C28、電容C12～C17、C24、C25、C27、可變電阻R5、R8和電阻R6、R7、R9、R10、R12、R17～R21、R33；U3的2腳接R12一端，3腳接地，4腳接R5的2腳，5腳接R5的3腳、-15V電源、C12的一端，C12另一端接地，6腳接R5的1腳，8腳接-15V電源和C13的一端，C13的另一端接地；10腳接R6的一端，11腳接地，12腳接R9、R7一端，R7另一端接地，13腳接R6另一端；U4的1腳接AU4的4腳，2腳接AU3的4腳，3腳接AU2的4腳，5腳接地，6腳接R8的3腳，7腳接AR3A的1腳，8腳接+5V電源、C24一端和R8的2腳，R8的1腳接地，C24的另一端接地；U5A的2腳接R10的一端，3腳接R9另一端，4腳接C15一端和-15V電源，C15的另一端接地，6腳接R10另一端、AR3A的2腳和U6A的4腳，7腳接+15V電源、C14一端，C14另一端接地；U6A的6腳接-5V電源和C17的一端，C17的另一端接地，7腳接AU1的1腳，8腳接+5V電源和C16的一端，C16的另一端接地；AU1的2腳接4腳和地；AU2的2腳接AU3、AU4的2腳和地，3腳接R17的一端；AU3的3腳接R18的一端；AU4的3腳接R19的一端，R17～R18的另一端接C25一端，C25另一端接地；U11的1腳接7、8腳和R33的一端，2腳接L1的另一端和D3的一端，D3另一端接地；3腳接C27另一端，5腳接R20的另一端和R21的一端，R21的另一端接地，6腳接C28正極、+5V電源和R33另一端，C28的負(fù)極接地。
激勵(lì)源電路5(見附圖6)，它包括激勵(lì)電源芯片U17、超聲波的模擬開關(guān)U18、三極管Q1、Q2、二極管D13、D14、電解電容C47、C48、電容C44～C46、電阻R40、R42、R43和可變電阻R41；U17的3腳接U18的2腳，4腳接U18的13腳和C47的負(fù)極，5腳接C44的一端和地，6腳接C46的一端，7腳接C46的另一端，8腳接地，9腳接C44另一端和R40一端，11腳接R41的1、3腳，R41的2腳接地，13腳接R40另一端，14腳接超聲波模入通道電路7中的一級(jí)放大器U20A的6腳和R47一端，16腳接+5V電源和C45一端，C45另一端接地；U18的1腳接超聲波傳感器電路6中的超聲波換能器TR1、TR2的超聲波發(fā)生換能器F1、F2和C48的負(fù)極；Q1的基極接R42、D13一端，集電極接+5V電源和R42另一端，發(fā)射極接C48正極和Q2的集電極；Q2的基極接D14、R43一端和C47正極，發(fā)射極接-5V電源和R43另一端，D13、D14另一端相接。
超聲波傳感器電路6(見附圖7)，它包括超聲波換能器TR1、TR2、超聲波發(fā)生換能器F1、F2和超聲波接收發(fā)能器J1、J2；TR1、TR2的J1、J2分別接超聲波模入通道電路7中的超聲波的模擬開關(guān)U19的7、3腳。
超聲波模入通道電路7(見附圖8)，它包括低漂放大器U13A、低漂濾波器U14、二級(jí)放大器U15A、超聲波的模擬開關(guān)U19、一級(jí)放大器U20A、帶通濾波器U21、光電耦合器AU5、二極管D8、電容C37～C40、C49～C59、電阻R27～R32、R44～R53和可變電阻R26；U13A的1腳接R26的1腳、R27的一端和AU5的1腳，2腳接R27另一端和R29一端，3腳接R28一端，R28另一端接地，4腳接C37一端和-15V電源，C37另一端接地，7腳接C38一端，C38另一端接地和+15V電源，8腳接R26的2腳，R26的3腳接+15V電源；U14的1腳接R30、C39一端，C39另端接地，2腳接R30的另一端，3、4腳接-15V電源，5腳接R29的另一端，6腳接地，7腳接+15V電源，8腳接R48、C52、D8一端，R48、C52另一端接地；U15A的2腳接C54、R50、R51一端，R51的另一端接地，3腳接C40、R31一端，C40另一端接地，6腳接R31、C54、R50另一端和D8、R32一端；U19的2腳接C49的一端和+5V電源，C49另一端接地，5腳接R45的一端，6腳接地；U20A的2腳接R44一端，R44另一端接地，3腳接R45另一端和R46的一端，R46另一端接地，4腳接C51一端和-5V電源，C51另一端接地，7腳接+5V電源、C50一端，C50另一端接地；U21的1、2腳接C53、C57一端，3腳接C55、R49一端，C55另一端接地，R49另一端接C53、R47另一端，4腳接+5V電源、C56一端，C56另一端接地，5腳接C58、R53一端，R53另一端接地，6、7腳接R32另一端和R52一端，R52的另一端接C57、C58另一端，8腳接+5V電源、C59一端，C59另一端接地；AU5的2、3腳接地。
顯示電路8(見附圖9)，它包括2-4譯碼器U10A和數(shù)碼顯示器DS1～DS4；U10A的4、5、6、7腳分別接DS4～DS1的9腳。
電源電路9(見附圖10)，它包括DC-DC轉(zhuǎn)換器U7、U12、U16、變壓器T1、T2、電感L2、電池BT1、穩(wěn)壓二極管D1、二極管D4～D7、D9～D12、電解電容C31、C29、C33、C34、C42、C43、電容C30、C32、C41和電阻R11、R22～R25、R34～R39；U7的1腳接7、8腳和R11的一端，2腳接L2一端和D1一端，D1的另一端接地，3腳接C30一端，4腳接R25一端、C30另一端、R23一端和U12的6腳，5腳接R25另一端、R22一端，6腳接R11另一端、C29正極、BT1的正極、R35一端和U16的6腳，C29負(fù)極接地；U12的1腳接T1的1腳，2腳接地，3腳接C32一端，4腳接C32另一端，5腳接R36、R39一端，R36另一端接地，7腳接R23另一端、R24一端和T1的2腳，8腳接R24另一端；U16的1腳接T2的1腳，2腳接地，3、4腳分別接C41兩端，5腳接R34.R38一端，R34另一端接地，7腳接R35另一端、R37一端和T2的2腳，8腳接R37另一端；L2的另一端接C31正極，C31負(fù)極接地；T1的3腳接D4、D5一端，4腳接D6、D7一端，5腳接地；T2的3腳接D9、D10一端，4腳接D11、D12一端，5腳接地；D4、D6另一端接C23正極、+5V電源和R39另一端；D5、D7另一端接C34負(fù)極和-5V電源，C34的正極接C33負(fù)極和地；D9、D11另一端接C42的正極、+15V電源和R38另一端；D10、D12另一端接C43負(fù)極和-15V電源，C43正極接C42負(fù)極和地。
超聲波和電容傳感器的兩相流濃度的測量方法是上下被測電容傳感器CAX、CBX將其電容值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電信號(hào)送入模擬開關(guān)電路2中的模擬開關(guān)U2，再送入電容傳感器模入通道電路3中的儀表放大器U3、低通濾波器U5A、增益可編程放大器U6A；電容模入通道工作流程見附圖11，儀表放大器U3輸出得到某一通道的電容值，此值與數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的靜態(tài)值相減速，得到當(dāng)前電容相對(duì)于靜態(tài)值的變化量，此變化量經(jīng)增益可編程放大器U6A放大后送入中央處理器U9，利用中央處理器U9內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由中央處理器U9完成通道先擇、D/A輸出、PGA增益設(shè)置；超聲波測量是根據(jù)兩相流對(duì)聲流的隨機(jī)調(diào)制效果工作的，兩相濃度的分布會(huì)反映為對(duì)聲波的調(diào)制結(jié)果，對(duì)接收器接受到的聲波進(jìn)行解調(diào)即可獲得濃度信息；流程見附圖12。超聲波測量是由兩個(gè)超聲波換能器TR1、TR2將接收到的被調(diào)制后的超聲波信號(hào)送入模擬開關(guān)U19，分別對(duì)兩路信號(hào)轉(zhuǎn)換，經(jīng)光電耦合器AU5后送入中央處理器U9，利用其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；激勵(lì)源芯片U17激勵(lì)超聲波換能器TR1、TR2發(fā)出連續(xù)方波信號(hào)；用激勵(lì)源芯片U17和超聲波模擬開關(guān)U18組成的鎖相環(huán)消除駐波，激勵(lì)源芯片U17產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)功率放大三極管Q1、Q2后分兩路，在U17中的MC14046的相位比較器與接收到的信號(hào)進(jìn)行比較，相位比較器的輸出被反饋到U17中的驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的壓控振蕩器中；這樣，通過隨時(shí)調(diào)整U17的頻率，使超聲波換能器TR1、TR2的超聲波發(fā)送換能器F1、F2和超聲波接收換能器的J1、J2之間有效聲通道長度L始終維持在駐波半波長(λ/2)的整數(shù)倍；最后，中央處理器U9得到四個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果兩路上下被測電容傳感器CAX、CBX的結(jié)果和兩路超聲波換能器TR1、TR2的轉(zhuǎn)換結(jié)果；利用數(shù)據(jù)融合中的自適應(yīng)加權(quán)和BaYes兩種方法對(duì)四個(gè)結(jié)果進(jìn)行兩級(jí)融合，最后得出高精度的濃度值送數(shù)碼顯示器DS1～DS4。
權(quán)利要求1.一種超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置，該裝置由電容傳感器電路(1)、模擬開關(guān)電路(2)、電容傳感器模入通道電路(3)、激勵(lì)源電路(5)、超聲波傳感器電路(6)、超聲波模入通道電路(7)、顯示電路(8)和電源電路(9)組成，其特征在于在測量裝置的系統(tǒng)中設(shè)置了中央處理電路(4)，它包括中央處理器U9、微處理器U8、非門AR3B、AR3C、或門AR6A、晶體振蕩器Y1、按鍵S9、二極管D2、電容C23、C35、C36、電池BT2和電阻R13～R16；U9的1腳接模擬開關(guān)電路2中的模擬開關(guān)U2的9腳，4腳接電容傳感器模入通道電路3中的光電耦合器AU4的1腳，9腳接AR6A的3腳，11、12腳分別接U8的5、6腳，17腳接超聲波模入通道電路7中的模擬開關(guān)U19的8腳，18腳接Y1、C35一端，19腳接Y1另一端和C36的一端，20腳接C36、C35另一端和地，21～28腳分別接顯示電路8中的數(shù)碼顯示器DS1～DS4的1～8腳，29、32、33腳分別接顯示電路8中的二～四線譯碼器U10A的1、3、2腳，34腳接電容傳感器模入通道電路3中的光電耦合器AU2的1腳，35、36腳分別接電容傳感器模入通道電路3中的增益可編程放大器U6A的1、2腳，37腳接光電耦合器AU3的1腳，38腳接超聲波模入電路(7)中的光電耦合器AU5的4腳，39腳接電容傳感器模入通道電路(3)中的電感L1、C27一端、DC-DC轉(zhuǎn)換器U11的4腳、C26的正極、R20一端和光電耦合器AU1的3腳，C26的負(fù)極接地，40腳接R16、R15、R13一端、U8的2腳和+5V電源；U8的4腳接R13另一端和R14一端，R14另一端接地，8腳接D2一端和BT2正極，D2另一端接R15另一端，BT2的負(fù)極接地，3腳接地，7腳接AR3C的5腳；AR6A的1腳接AR3B的4腳，2腳接AR3C的6腳；AR3B的3腳接R16的另一端、S9、C23一端，C23另一端接S9的另一端和地。
專利摘要本實(shí)用新型屬工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)兩相流濃度的測量裝置及測量方法，特別涉及一種超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置，該裝置由電容傳感器電路(1)、模擬開關(guān)電路(2)、電容傳感器模入通道電路(3)、激勵(lì)源電路(5)、超聲波傳感器電路(6)、超聲波模入通道電路(7)、顯示電路(8)和電源電路(9)組成，該裝置具有精度高，抗干擾性強(qiáng)，能抑制雜散電容干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩相流濃度的在線測量和濃度的顯示；采用了上、下游被測電容傳感器和超聲波換能器的結(jié)合，利用了數(shù)據(jù)融合的方法，提高了測量的可信度和精確度。
文檔編號(hào)G01N27/22GK2788192SQ20052008903
公開日2006年6月14日 申請日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者付華, 杜曉坤, 許振良 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)