CN105865551A - 一种超声波流量传感器和流量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波流量传感器，包括导流管，在导流管的管壁上设置有向外凸起的容纳腔，在该容纳腔中设置有微处理器以及与其分别电连接的第一超声发射器、第二超声发射器、第一超声接收器和第二超声接收器，在与容纳腔相对的内管壁上设置有第一反射片和第二反射片。该超声波流量传感器通过测量超声波在水中沿顺流和逆流的传播时间来获取水流速度，避免了直接利用超声波在水流中的速度计算水流速度所引入的温度影响，提高了水流的测量精度和测量效率。本发明还公开了一种流量检测方法，先根据预先设置的阈值判断水管是否处于正常工作状态，若是则获取水流速度，不是则直接发送报警信号，使得水管能够得到及时维修，减少水资源的浪费。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种超声波流量传感器和流量检测方法。
背景技术
目前大部分的水表都是在传统的机械表上进行改造，与传统的水表相比，超声波水表可以实现很高的测量精确度，且因为它没有移动的元件，因此几乎不需要维修。而且，它也不会阻挡或者减慢管道中气体或者液体的流动。它能够准确地测量水表产品的宽频，而不需像机械型技术那样需要验证。高灵敏度使其可以检测到管道中的任何泄漏，并可以测量和补充各种会影响监护运输领域中的测量准确度的变量。超声波水表正在快速发展成为流量测量领域的主导，且超声波水表具有高精确度和低总体拥有成本。不论是从技术上还是从经济上看，超声波水表都是水表行业的理想选择。
根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。
超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。
然而水温对超声波在水中的传播速度的影响，从而影响到超声波水表的测量精度。因此，现有技术中在利用超声波水表进行水流量检测时，为了扩大水温的允许范围，必须对测量结果进行相关的温度补偿，这是因为水温的变化会导致超声波在水中的传播速度的变化，从而导致测量的水流速度值的误差，而进行温度补偿必然会增加超声波流量传感器的操作复杂度，降低水流的检测效率和抄表效率。
另外，现有技术中的超声波水表没有报警功能，当水管管道损坏造成大量漏水时，超声波便在空气中或者是空气较多的管道中传输，然而超声波在空气中的传播速度约为340m/s，在水中的传播速度约为1500m/s，此时超声波水表若按照超声波在水中的传播速度计算水流速度，不但测量不准确，还会因为没有对水管及时维修而造成大量自来水外流。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声波流量传感器，能够提高水流的测量精度和效率，本发明还提供了一种流量检测方法，能够减少因水管未能及时维修而造成的资源浪费。
技术方案：为实现上述目的，本发明中超声波流量传感器包括导流管，在导流管的管壁上设置有向外凸起的容纳腔，在该容纳腔中设置有微处理器以及与其分别电连接的第一超声发射器、第二超声发射器、第一超声接收器和第二超声接收器；所述第一超声发射器和第二超声接收器位于微处理器的一侧，两者所在直线垂直与管壁；所述第一超声接收器和第二超声发射器位于微处理器的另一侧，两者所在直线垂直与管壁；第一超声发射器和第一超声接收器所在直线平行于导流管的管壁，第二超声发射器和第二超声接收器所在直线平行于导流管的管壁；在与容纳腔相对的内管壁上设置有第一反射片和第二反射片，分别位于容纳腔的两侧，所述第一反射片和第二反射片配合工作，用于将第一超声发射器发射的超声波信号反射至第一超声接收器，将第二超声发射器发射的超声波信号反射至第二超声接收器。
其中，所述微处理器包括计时模块，用于获取超声波信号从第一超声发射器至第一超声接收器的传输时间T1和超声波信号从第二超声发射器至第二超声接收器的传输时间T2。
进一步地，所述微处理器还包括报警模块，用于将获取到的传输时间T1与其内部预先设置的阈值进行比较，若传输时间T1大于该阈值，则发送报警信号。
相应地，本发明还提供了一种利用上述超声波流量传感器进行流量检测方法，包括以下步骤：
获取超声波信号从第一超声发射器至第一超声接收器的传输时间T1和超声波信号从第二超声发射器至第二超声接收器的传输时间T2；
将获取到的传输时间T1与其内部预先设置的阈值进行比较，若传输时间T1大于该阈值，则发送报警信号；否则，根据传输时间T1、T2计算水流速度V2。
有益效果：本发明中的超声波流量传感器通过测量超声波在水中沿顺流和逆流的传播时间来获取水流速度，避免了直接利用超声波在水流中的速度计算水流速度所引入的温度影响，提高了水流的测量精度，同时，由于超声波流量传感器的结构简单，水流速度的计算简单，操作方便，能够提高测量效率；进一步地，本发明中的流量检测方法，先根据预先设置的阈值判断水管是否处于正常工作状态，若是则获取水流速度，不是则直接发送报警信号，使得水管能够得到及时维修，减少水资源的浪费。
附图说明
图1是本发明中超声波流量传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
图1中的超声波流量传感器包括由导流管1，在导流管1的外壁上设置有凸起的容纳腔，在该容纳腔中设置有微处理器8以及与其分别电连接的第一超声发射器4、第二超声发射器5、第一超声接收器6和第二超声接收器7，微处理器8可以向远端服务器传输信号，超声波流量传感器在使用时，其导流管1的两端接通水管，水沿导流管1的管壁流动，第一超声发射器4和第二超声接收器7位于微处理器8的一侧，两者所在直线垂直与管壁；第一超声接收器6和第二超声发射器5位于微处理器8的另一侧，两者所在直线垂直与管壁；第一超声发射器4和第一超声接收器6所在直线平行于导流管1的管壁，第二超声发射器5和第二超声接收器7所在直线平行于导流管1的管壁；在与容纳腔相对的内管壁上设置有第一反射片2和第二反射片3，分别位于容纳腔的两侧，与上述超声发射器和超声接收器的位置对应，能够将第一超声发射器4发射的超声波信号反射至第一超声接收器6，将第二超声发射器5发射的超声波信号反射至第二超声接收器7。
为了防止水里可能有杂质颗粒破坏，或者会影响超声波传感器以及反射片的正常工作，在导流管1的水流入口处的地方加一个滤网，把一定量的颗粒挡住，以便于超声波流量传感器的正常工作。
上述微处理器8包括计时模块，超声波流量传感器的发射和接收控制及传播时间的处理，都是由微处理器8的计时模块完成：微处理器8启动第一超声发射器4发出第一超声波信号并开始计时，该超声波信号经第一反射片2反射后，在导流管1中的水中穿行，到达第二反射片3后，再次反射之后到达第一超声接收器6，第一超声接收器6再将信号传送到微处理器8中，微处理器8结束计时，得到第一超声波信号的传输时间T1；微处理器8启动第二超声发射器5发出第二超声波信号并开始计时，该超声波信号经第二反射片3反射后，在导流管1中的水中穿行，到达第一反射片2后，再次反射之后到达第二超声接收器7，第二超声接收器7再将信号传送到微处理器8中，微处理器8结束计时，得到第二超声波信号的传输时间T2。
若水流方向为图1中的从左至右，则第一超声波信号的传输时间T1的表达式为：T1＝S÷(V1+V2)；第二超声波信号的传输时间T2的表达式为：T2＝S÷(V1-V2)，反之亦然，时中，S为导流管1中第一超声发射器4和第一超声接收器6之间的距离，V1为超声波在水中的传输速度；V2为导流管1中水流的速度。
最终推导出水流速度为：V2＝(S÷T1-S÷T2)/2，其中，T1和T2经过测量已经获知，测量的传播时间T1和T2被微处理器定时读写处理，再做相关的数据处理，就可得到稳定可靠的传播时间差，即1/T1和1/T2的差值，最后根据等式就可以计算出流量。可以看出，最终的公式与超声波在水中的速度V1无关，故利用超声波在水中沿顺流和逆流的传播时间做差可消除温度影响。
实施例2：
本实施例中的超声波流量传感器与实施例1中的结构相同，唯一不同的是，本实施例中的微处理器8还进一步包含报警模块，用于在进行水流速度计算之前判断水管是否存在故障，其内部程序中设置一阈值，若第一超声波信号的传输时间T1大于该阈值，则向远端服务器发送报警信号；否则按照实施例1中的方法计算水流速度V2。
流经过超声波水表的流速V2一般小于10m/s，在空气中的传播速度约为340m/s，在水中的传播速度V1约为1500m/s，即上述中的V1远大于V2，即使在空气中的传播速度也是远大于V2，那么第一超声波信号的传输时间T1可以近似为：T1＝S÷V1，显然，当超声波便在空气中或者是空气较多的管道中传输，那么微处理器8所得到的第一超声波信号的传输时间T1与在水中传播的时间是相差很多的。因此，本实施例中的阈值可以根据多次试验获得超声波在水流中的传播时间而进行合理设置。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超声波流量传感器，其特征在于，该传感器包括导流管（1），在导流管（1）的管壁上设置有向外凸起的容纳腔，在该容纳腔中设置有微处理器（8）以及与其分别电连接的第一超声发射器（4）、第二超声发射器（5）、第一超声接收器（6）和第二超声接收器（7）；所述第一超声发射器（4）和第二超声接收器（7）位于微处理器（8）的一侧，两者所在直线垂直与管壁；所述第二超声发射器（5）和第一超声接收器（6）位于微处理器（8）的另一侧，两者所在直线垂直与管壁；第一超声发射器（4）和第一超声接收器（6）所在直线平行于导流管（1）的管壁，第二超声发射器（5）和第二超声接收器（7）所在直线平行于导流管（1）的管壁；在与容纳腔相对的内管壁上设置有第一反射片（2）和第二反射片（3），分别位于容纳腔的两侧，所述第一反射片（2）和第二反射片（3）配合工作，用于将第一超声发射器（4）发射的超声波信号反射至第一超声接收器（6），将第二超声发射器（5）发射的超声波信号反射至第二超声接收器（7）。
2.根据权利要求1所述的超声波流量传感器，其特征在于，所述微处理器（8）包括计时模块，用于获取超声波信号从第一超声发射器（4）至第一超声接收器（6）的传输时间T1和超声波信号从第二超声发射器（5）至第二超声接收器（7）的传输时间T2。
3.根据权利要求2所述的超声波流量传感器，其特征在于，所述微处理器（8）还包括报警模块，用于将获取到的传输时间T1与其内部预先设置的阈值进行比较，若传输时间T1大于该阈值，则发送报警信号。
4.根据权利要求2所述的超声波流量传感器，其特征在于，水流速度V2的计算公式为：V2=(S÷T1-S÷T2)/2，式中，S为第一超声发射器和第一超声接收器之间的距离。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的超声波流量传感器，其特征在于，所述导流管（1）的水流入口处设置有滤网。
6.一种利用权利要求3所述的超声波流量传感器进行流量检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
获取超声波信号从第一超声发射器至第一超声接收器的传输时间T1和超声波信号从第二超声发射器至第二超声接收器的传输时间T2；
将获取到的传输时间T1与其内部预先设置的阈值进行比较，若传输时间T1大于该阈值，则发送报警信号；否则，根据传输时间T1、T2计算水流速度V2。
7.根据权利要求6所述的流量检测方法，其特征在于，水流速度V2的计算公式为：V2=(S÷T1-S÷T2)/2，式中，S为第一超声发射器和第一超声接收器之间的距离。
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