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(dāng)前膜式燃氣表體積大、計量精度低、機械式傳動產(chǎn)生噪音大和傳動機構(gòu)易老化等缺點，利用Maxim公司的氣體流量系統(tǒng)級芯片MAX35104研究設(shè)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差法計量原理設(shè)計的超聲波燃氣表能夠有效的克服模式燃氣表的缺點，實現(xiàn)全電子式流量計量。

　　關(guān)鍵詞：超聲波燃氣表;MAX35104;模擬前端;時差法

　　0引言

　　傳統(tǒng)的機械式膜腔燃氣表結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，人工抄表方式極為不便，這些缺點使其發(fā)展應(yīng)用受到了一定的阻礙^[1]。電子式膜腔燃氣表是在傳統(tǒng)機械式的基礎(chǔ)上進行半電子化改進，增加了電子計量功能、顯示功能、預(yù)付費和遠程抄表功能，實現(xiàn)了半電子化。但以上兩種表計的核心計量方式均依靠表內(nèi)機械機構(gòu)，機械磨損造成的計量準(zhǔn)確度的影響無法避免。超聲波燃氣表由于其全電子機構(gòu)的特點，與以往的機械表相比在機械噪音、計量精度、量程、可重復(fù)性以及壽命、維護上都有著絕對優(yōu)勢^[2]。超聲波燃氣表雖然諸多優(yōu)點，但技術(shù)上難點較大，換能器發(fā)射的信號在氣體中衰減嚴(yán)重，接收方無法有效的得到回波信號。MAX35104模擬前端解決方案內(nèi)部模擬開關(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差分飛行時間(TOF)測量法，不僅可以有效的解決信號衰減問題，而且實現(xiàn)了對氣體流量的簡化計算。

       1MAX35104模擬前端介紹

　　1.1MAX35104特點

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

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

　　(2)器件的功耗低，在飛行時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(nèi)置時鐘，最大程度減少了元件數(shù)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(nèi)置高壓驅(qū)動電路、模擬開關(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實現(xiàn)命令交互。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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超聲波換能器，內(nèi)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四個引腳為SPI通信接口。

　　2整體設(shè)計方案

　　一個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、無線通信電路和MCU主控電路等。整體結(jié)構(gòu)如下圖2所示。