基于MAX35104的超聲波燃氣表計量技術(shù)研究

作者 李建煒 寧夏隆基寧光儀表股份有限公司(寧夏銀川750021)

　　摘要：針對當前膜式燃氣表體積大、計量精度低、機械式傳動(dòng)產(chǎn)生噪音大和傳動(dòng)機構易老化等缺點(diǎn)，利用Maxim公司的氣體流量系統級芯片MAX35104研究設計一款超聲波燃氣表。MAX35104用于超聲波燃氣表計量的模擬前端(AFE)，具有高精度的流量測量，支持熱敏電阻和RTD等溫度傳感器，TOF測量功耗低至62Ua。采用此芯片作為流量計量的模擬前端和時(shí)差法計量原理設計的超聲波燃氣表能夠有效的克服模式燃氣表的缺點(diǎn)，實(shí)現全電子式流量計量。

　　關(guān)鍵詞：超聲波燃氣表;MAX35104;模擬前端;時(shí)差法

　　0引言

　　傳統的機械式膜腔燃氣表結構復雜且體積較大，人工抄表方式極為不便，這些缺點(diǎn)使其發(fā)展應用受到了一定的阻礙^[1]。電子式膜腔燃氣表是在傳統機械式的基礎上進(jìn)行半電子化改進(jìn)，增加了電子計量功能、顯示功能、預付費和遠程抄表功能，實(shí)現了半電子化。但以上兩種表計的核心計量方式均依靠表內機械機構，機械磨損造成的計量準確度的影響無(wú)法避免。超聲波燃氣表由于其全電子機構的特點(diǎn)，與以往的機械表相比在機械噪音、計量精度、量程、可重復性以及壽命、維護上都有著(zhù)絕對優(yōu)勢^[2]。超聲波燃氣表雖然諸多優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)上難點(diǎn)較大，換能器發(fā)射的信號在氣體中衰減嚴重，接收方無(wú)法有效的得到回波信號。MAX35104模擬前端解決方案內部模擬開(kāi)關(guān)、可配置三級集成運算放大器、超低輸入偏移比較器和自動(dòng)差分飛行時(shí)間(TOF)測量法，不僅可以有效的解決信號衰減問(wèn)題，而且實(shí)現了對氣體流量的簡(jiǎn)化計算。

       1MAX35104模擬前端介紹

　　1.1MAX35104特點(diǎn)

　　MaximMAX35104氣體流量計SoC是設計用于超聲波燃氣表和醫療呼吸機市場(chǎng)的模擬前端解決方案。芯片具有以下特性：

　　(1)時(shí)間測量精度為700ps，測量范圍至400us，并采用自動(dòng)差分飛行時(shí)間(TOF)測量法，可簡(jiǎn)化對氣體流量的計算;

　　(2)器件的功耗低，在飛行時(shí)間測量模式下最低為62uA，在占空比測溫模式下為125nA;

　　(3)高精度溫度測量，支持PT500、PT1000和熱敏電阻等傳感器;

　　(4)高度集成，內置時(shí)鐘，最大程度減少了元件數并降低了BOM成本;

　　(5)2.3V至3.6V單電源供電;

　　(6)工作溫度范圍：-40℃至+85℃;1.2MAX35104功能引腳介紹MAX35104是一款高集成度的流量計量芯片，內置高壓驅動(dòng)電路、模擬開(kāi)關(guān)、可配置三級集成運算放大器、超低輸入偏移比較器以及高精度溫度測量模塊;另具有SPI通信接口，可與任意型號主控MCU實(shí)現命令交互。其內部結構框圖及引腳圖如下圖1所示。其中TX_UPP、TX_UPN引腳和TX_DNP、TX_DNN引腳外部各連接一個(gè)超聲波換能器，內部連接高壓脈沖發(fā)射模塊用于發(fā)射和接收超聲波信號;T1和T2為溫度測量引腳，外接PT1000等溫度傳感器;CMP_OUT/UP_DN引腳用于比較器輸出或者指示順逆流發(fā)射方向;SCK、DOUT、DIN和CE四個(gè)引腳為SPI通信接口。

　　2整體設計方案

　　一個(gè)完整的超聲波燃氣表包括換能器、MAX35104模擬前端、boost電路、顯示電路、電源電路、無(wú)線(xiàn)通信電路和MCU主控電路等。整體結構如下圖2所示。