CN105758477A - 无线阀控超声波水表 - Google Patents

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Abstract

无线阀控超声波水表，涉及水表领域。本发明是为了解决现有住户使用的机械水表存在多种弊端的问题。本发明采用超声波时差原理，采用工业级电子元器件制造而成的全电子水表，与机械式水表相比较具有精度高，可靠性好，量程比宽，使用寿命长，无任何活动部件，无需设置参数，任意角度安装等特点。在超声波水表计量方式的基础上，又增加了无线集抄及阀控的特点。流量测量部分应用一对超声波换能器相向收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。可广泛应用于自来水公司的供水计量中。

Description

无线阀控超声波水表
技术领域
本发明属于水表领域，尤其涉及一种无线阀控超声波水表。
背景技术
水表是家家户户必需的设备，目前住户使用的均为机械水表，并按照水表指示进行结算费用，但是，利用现有机械水表结算时却出现了众多难以解决的纠纷和弊端。例如：因机械水表长年使用磨损严重导致热能表准确度降低，进而致使用户需多次出资维护，造成用户和自来水公司之间难以解决的纠纷；自来水公司工作人员定期到用户家敲门查看水表流量数据，抄表成功度和准确度低，且自来水公司管理成本过高，费时费力还不能及时回抄数据而收费滞后。总而言之，现有的普通机械水表压损大、易堵塞、磨损严重、使用寿命短、计量精度低。
发明内容
本发明是为了解决现有住户使用的机械水表存在多种弊端的问题，现提供无线阀控超声波水表。
无线阀控超声波水表，它包括：超声波基表1、无线传输电路一2-1、无线传输电路二2-2、电机4、主电路5、超声波换能器7、温度传感器8、电池一9和电池二10；
超声波基表1的侧壁上开有三个开口，超声波换能器7的两个超声波对射端和温度传感器8的测温端分别穿过三个开口位于超声波基表1内部，并将所在开口密封，超声波换能器7的两个超声波对射端相互正对，温度传感器8的测温端用于采集超声波基表1内部水温，
超声波换能器7的超声波信号输出端连接主电路5的超声波信号输入端，温度传感器8的温度信号输出端连接主电路5的温度信号输入端，主电路5的驱动信号输出端连接电机4的驱动信号输入端，电机4用于驱动超声波基表1上的球阀6开通或关断，主电路5的无线信号输入输出端连接无线传输电路二2-2的无线信号输出输入端，无线传输电路一2-1以无线传输方式与PC机相连，无线传输电路一2-1与无线传输电路二2-2之间实现无线信号传输，
电池一9用于为主电路5供电，电池二10用于为球阀6和无线传输电路二2-2供电。
在物联网大数据社会需求的推动下，实现智能流量检测及管理技术成为目前研究的热点。而超声波流量检测技术的流量测量精度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。本发明所述的无线阀控超声波水表，以超声波流量计精准的测量并控制用户用水，并有可靠的数据采集管理系统，有效的管理用户水表数据。
本发明采用超声波时差原理，采用工业级电子元器件制造而成的全电子水表，与机械式水表相比较具有精度高，可靠性好，量程比宽，使用寿命长，无任何活动部件，无需设置参数，任意角度安装等特点。在超声波水表计量方式的基础上，又增加了无线集抄及阀控的特点。流量测量部分应用一对超声波换能器相向收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。
本发明集成了智能型超声波水表计量与阀门控制装置可远程控制，该产品克服了超声波水表只测量无管理的缺点；产品具有外型美观、计量准确、管理方便、运行稳定、抗污防腐能力强、使用寿命长、安全可靠、经济实用等特点，可广泛应用于自来水公司的供水计量中。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，本发明计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。本发明适用于对自来水管道水量进行测量。
附图说明
图1为本发明所述的无线阀控超声波水表的立体结构示意图；
图2为本发明所述的无线阀控超声波水表的主视图；
图3为图2的A-A向剖视图；
图4为图2的B-B向剖视图；
图5为超声波基表与温度传感器和超声波换能器的装配图；
图6为本发明所述的无线阀控超声波水表的电气结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的无线阀控超声波水表，它包括：超声波基表1、无线传输电路一2-1、无线传输电路二2-2、电机4、主电路5、超声波换能器7、温度传感器8、电池一9和电池二10；
超声波基表1的侧壁上开有三个开口，超声波换能器7的两个超声波对射端和温度传感器8的测温端分别穿过三个开口位于超声波基表1内部，并将所在开口密封，超声波换能器7的两个超声波对射端相互正对，温度传感器8的测温端用于采集超声波基表1内部水温，
超声波换能器7的超声波信号输出端连接主电路5的超声波信号输入端，温度传感器8的温度信号输出端连接主电路5的温度信号输入端，主电路5的驱动信号输出端连接电机4的驱动信号输入端，电机4用于驱动超声波基表1上的球阀6开通或关断，主电路5的无线信号输入输出端连接无线传输电路二2-2的无线信号输出输入端，无线传输电路一2-1以无线传输方式与PC机相连，无线传输电路一2-1与无线传输电路二2-2之间实现无线信号传输，
电池一9用于为主电路5供电，电池二10用于为球阀6和无线传输电路二2-2供电。
本实施方式中，超声波基表1内部采用通径式结构、无反射柱；超声波换能器7采用直接插入式固定在管道内部，实现信号对射；结构上无机械运动部件、水场干扰小、不易受气泡影响，提高测量精度和稳定性。并且对测量水场具有整流、稳流功能，不受水场纹流、扰流的干扰，使实际计量更加准确可靠，表前后无需安装直管段。实际应用时，超声波基表1与球阀6呈一体式结构，结构紧凑，便于安装；管道长度为最优选择，方便现场更换原有尺寸的水表。而球阀6阀柄采用两层密封，防止漏水；球阀6密封部分采用进口四氟材质，保证密封性的同时，又不易使阀门卡死，保证耐久性使用。
主电路5是电机4的控制端，而电机4是球阀6的执行端，它来完成球阀6的开/关操作。通过上述结构，本实施方式能够在远端控制水表流量，实时监测水表球阀状态，控制流量、流速或通断，根据需要调整水表流量，还能够在远端及时解决漏水问题。
主电路5、超声波换能器7、温度传感器8组成流量计的主要测量部分，超声波基表与超声波换能器的组合，起声波换能器为插入式封装结构，直接安装在基表管道内，以对射方式工作，主电路5和超声波换能器7获得水流量，温度传感器8采集的温度作为流量的修正系数，实现了将测量信号回传的功能，从而达到计量功能。超声波换能器安装后，换能器直接安装在管道通径的正中间，避免了当水压不足时半管或有气泡状态下造成的无法计量，并且这种测量方式能够将始动流量做到非常低。
无线传输电路一与无线传输电路二之间是采用470MHz无线通信技术，无线传输电路一与PC采用是GPRS无线通信技术，无线传输电路一是一个独立的数据采集设备。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，它还包括：显示屏3，主电路5的显示信号输出端连接显示屏3的信号输入端。
本实施方式中，显示屏3为LCD显示器，可显示累计流量、水温、瞬时流速、阀门状态、欠费信息、时钟、地址等信息。
具体实施方式三：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，超声波换能器7的两个超声波对射端和温度传感器8的测温端分别通过密封圈11将所在开口密封。
密封圈11是防止水从超声波基表1渗漏而安装在球阀6、超声波换能器7和温度传感器8与超声波基表1的间隙位置，如附图5所示。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，电池一9为ER26500H锂电池，电池二10为ER18505M锂电池。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，无线传输电路一2-1和无线传输电路二2-2均为470M无线传输电路。
本实施方式中，阀控、通讯模块，配备两种控制接口：无线远程控制模式和手持器模式。
无线远程控制模式：无线470MHz频段，采用LORA技术，具有通讯距离远的特点，单向空旷通讯距离＞8km，双向数据通讯空旷距离＞3km，室内通讯≤300米，能够满足民用仪表的远程无线数据集抄，和远程控制。
无线工作模式：表端通过无线470MHz与楼栋或单元无线采集器双向通讯，为了功耗考虑，表端无线模块每5s开启无线模块一次持续20ms侦听无线采集器是否有指令下发；而无线采集器可以随时转发上位机管理系统的抄表、充值、开关阀等指令。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，温度传感器8为NTC温度传感器。
本实施方式中采用高精度NTC温度传感器8，主要测试流体温度以校准超声波时间值，进而精确计量流量；测量水温时，当温度发生异常时，会记录异常报警信息。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，超声波换能器7的中心谐振频率为1.0MHZ±5％；综合灵敏度为-30dBmin；发射波束角为-3dB全开角；静电电容为1200PF±20％；最大工作电压脉冲波＜300V；工作温度在0℃～95℃之间。
本实施方式中所述的超声波换能器7的压电陶瓷片采用Φ8mm，性能更稳定，耐压强度高。外壳材料为聚砜PSF，具有耐磨、耐冲击、耐老化、耐高温、耐腐蚀性。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，电机4为3.6V驱动电机，齿轮箱减速比为3600：1。
本实施方式中所述的电机4具有扭力高，耐使用的特点。主齿轮采用特殊合金钢材，耐磨损。带限位开关，可以输出到位信息，防止卡死。电机4采用防水电机，防止因冷凝水或湿气对电机齿轮、电子部分的损坏。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的无线阀控超声波水表作进一步说明，本实施方式中，主电路5为MSP430系列4481芯片。
主芯片采用低功耗单片机MSP430系列4481芯片，保障超声波水表长时间可靠工作。通过对软件的特殊设计，使产品在不同压力、温度范围内的任意温度点、流量范围内的任意流量点下都能保证计量精度值，计量精度等级：2级。经过特殊设计的信号采样电路，保证了在不同条件下信号都不会发生畸变，从而保障测量参数准确可靠；通过计算机在线校准方式，保证校准过程的准确可靠；主电路5经过严格的加工工艺处理，保证电路长时间运行的可靠性；带有数据存储芯片E2PROM，参数保存：流量标定参数、温度标定参数、表地址、口径等保存在独立的区域。实时数据保存：累积流量、流速等数据都要定时保存。18个月历史数据保存：在每个月0时0分0秒保存上一个月的累积流量、最大流量等数据。具有自动错时清洗阀门的功能，欠费提醒、欠费关阀，保证供水收费率，并且管理系统可远程控制。流量采集部分采用高精度时间数字转换器专用芯片，测量精度高，稳定性好。
本发明所述的无线阀控超声波水表的主要性能指标入表1所示：
表1主要性能指标
本发明所述的无线阀控超声波水表与现有计量表比较：
1在结构上：机械水表采用叶轮转动计量流量，管道内阻流器件导致机械水表低流通能力，非常容易堵塞，且磨损较为严重，使用寿命不长，更换频繁。超声波水表测量机构无运动部件，永不磨损。
2在始动流量上：超声水表始动流量低，大大减少了机械水表小流量的漏计现象，使水费计量损失减到最低。
3在压力损失上：超声水表低压力损失，大大降低了功耗损失，减小了供水能耗。
4在测量功能上：超声水表可判断流体流向，并能分布计量正、反流量数值，且可测量流速、瞬时流量、累积流量，记录工作时间和故障时间等多种参数。机械水表则无法判断反向安装，导致计量损失，给非法用水提供机会，且只能计量累积流量。
5在抄表和通讯上：大多数机械水表采用机械原理计数，虽无供电要求，但同时也带来了无法配置输出，无法实现数据采集计算机管理、无线抄表等新技术应用。超声水表可采用电池供电，连续工作在6年左右，且可配置多种输出如，M-BUS、脉冲、470MHz无线、GPRS抄表系统和无线手抄器。
6在计量精度上：超声水表由于结构不存在磨损部件，只要管径不变，其精度就不会发生变化。机械水表由于结构上存在易磨损部件，其磨损程度会随着使用时间逐渐增大，导致精度随着时间的增长而降低，增大计量的误差。
7在控制管理上：普通机械式水表无控制水流的手段。无线阀控超声波水表采用流量计与控制一体式结构，且能完成远程操控，增加了管理方式，便于维护管理。

Claims (9)

1.无线阀控超声波水表，其特征在于，它包括：超声波基表(1)、无线传输电路一(2-1)、无线传输电路二(2-2)、电机(4)、主电路(5)、超声波换能器(7)、温度传感器(8)、电池一(9)和电池二(10)；
超声波基表(1)的侧壁上开有三个开口，超声波换能器(7)的两个超声波对射端和温度传感器(8)的测温端分别穿过三个开口位于超声波基表(1)内部，并将所在开口密封，超声波换能器(7)的两个超声波对射端相互正对，温度传感器(8)的测温端用于采集超声波基表(1)内部水温，
超声波换能器(7)的超声波信号输出端连接主电路(5)的超声波信号输入端，温度传感器(8)的温度信号输出端连接主电路(5)的温度信号输入端，主电路(5)的驱动信号输出端连接电机(4)的驱动信号输入端，电机(4)用于驱动超声波基表(1)上的球阀(6)开通或关断，主电路(5)的无线信号输入输出端连接无线传输电路二(2-2)的无线信号输出输入端，无线传输电路一(2-1)以无线传输方式与PC机相连，无线传输电路一(2-1)与无线传输电路二(2-2)之间实现无线信号传输，
电池一(9)用于为主电路(5)供电，电池二(10)用于为球阀(6)和无线传输电路二(2-2)供电。
2.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，它还包括：显示屏(3)，主电路(5)的显示信号输出端连接显示屏(3)的信号输入端。
3.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，超声波换能器(7)的两个超声波对射端和温度传感器(8)的测温端分别通过密封圈(11)将所在开口密封。
4.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，电池一(9)为ER26500H锂电池，电池二(10)为ER18505M锂电池。
5.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，无线传输电路一(2-1)和无线传输电路二(2-2)均为470M无线传输电路。
6.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，温度传感器(8)为NTC温度传感器。
7.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，超声波换能器(7)的中心谐振频率为1.0MHZ±5％；
综合灵敏度为-30dBmin；
发射波束角为-3dB全开角；
静电电容为1200PF±20％；
最大工作电压脉冲波＜300V；
工作温度在0℃～95℃之间。
8.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，电机(4)为3.6V驱动电机，齿轮箱减速比为3600：1。
9.根据权利要求1所述的无线阀控超声波水表，其特征在于，主电路(5)为MSP430系列4481芯片。
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