CN106500783B - 一种水热表及其水流量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水流量检测技术领域，提供了一种水热表及其水流量检测装置。水流量检测装置包括超声波模块、主控模块、时间数字转换模块及启动检测模块；在水热表的水流量为零时，主控模块控制时间数字转换模块关闭，控制启动检测模块开启；启动检测模块根据起始脉冲信号和停止脉冲信号对水热表的水流量进行监测，并在水热表的水流量大于预设阈值时，控制时间数字转换模块开启，以实现对水热表的水流量的检测。本发明提供的水流量检测装置在保证水流量检测装置低功耗的同时，提高了对水流量的监测精度，解决了现有的水流量检测装置在TDC进入低功耗状态时存在的水流量监测精度较低的问题。

Description

一种水热表及其水流量检测装置

技术领域

本发明属于水流量检测领域，尤其涉及一种水热表及其水流量检测装置。

背景技术

时间数字转换器(time to digital converter，TDC)技术本质上是要解决超短时间间隔的测量问题。目前，在水流量检测装置、超声波密度仪、超声波厚度仪、磁滞伸缩定位，以及传感器应用中物理量(如电容、电阻、重量、密度、压力等)转化成频率和相位差后的测量等方面，TDC都有很好的应用前景。

现有的基于TDC的水流量检测装置包括超声波模块(包括超声波发射单元和超声波接收单元)、主控模块及TDC(如图1所示)，超声波发射单元与超声波接收单元的连线所在的直线与水流方向成一定角度。超声波发射单元在主控模块的控制下向水热表的水管发射超声波，且在发射超声波的同时输出Start信号至TDC；超声波接收单元在接收到穿过水管的超声波时输出Stop信号至TDC；TDC根据Start信号和Stop信号检测超声波在水管中的传播时间，并将传播时间输出至主控模块；主控模块根据传播时间计算水热表的水流量。

由于TDC的测量精度较高，因此其功耗也相对较高。为了节约功耗，在水热表的水流量为零时，主控模块控制TDC进入低功耗状态，TDC核心检测电路关闭。而为了检测到可能的水流量，需要定时开启TDC，且在水流量不为零时，需要持续开启TDC。为了平衡功耗，TDC一般只能在1秒内开启两次，而较低的检测频率会带来响应时间的延迟，进而影响到水流量监测的精度。

综上可知，现有的水流量检测装置在TDC进入低功耗状态时存在水流量监测精度较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水热表及其水流量检测装置，旨在解决现有的水流量检测装置在TDC进入低功耗状态时存在水流量监测精度较低的问题。

本发明是这样实现的，一种水热表的水流量检测装置，包括超声波模块、主控模块及时间数字转换模块；所述超声波模块在向所述水热表的水管发射超声波的同时输出起始脉冲信号，且在接收到穿过所述水管的所述超声波时输出停止脉冲信号，所述时间数字转换模块根据所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号检测所述超声波在所述水管中的传播时间；所述主控模块根据所述传播时间计算所述水热表的水流量；其特征在于，所述水流量检测装置还包括启动检测模块；

所述主控模块分别与所述超声波模块、所述时间数字转换模块及所述启动检测模块连接，所述超声波模块的起始脉冲信号输出端与所述时间数字转换模块的起始脉冲信号输入端和所述启动检测模块的起始脉冲信号输入端连接，所述超声波模块的停止脉冲信号输出端与所述时间数字转换模块的停止脉冲信号输入端和所述启动检测模块的停止脉冲信号输入端连接，所述启动检测模块的输出端与所述时间数字转换模块连接；

当水热表的水流量为零时，所述主控模块控制所述时间数字转换模块关闭，控制所述启动检测模块开启；所述启动检测模块根据所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号对所述水热表的水流量进行监测，并在所述水热表的水流量大于预设阈值时，控制所述时间数字转换模块开启，以使所述时间数字转换模块对所述超声波在所述水管中的传播时间进行检测，进而使所述主控模块对所述水热表的水流量进行计算。

本发明还提供了一种水热表，所述水热表包括上述的水流量检测装置。

本发明提供的水流量检测装置包括超声波模块、主控模块、时间数字转换模块及启动检测模块。在水热表的水流量为零时，主控模块控制时间数字转换模块关闭，控制启动检测模块开启；启动检测模块根据起始脉冲信号和停止脉冲信号对水热表的水流量进行监测，并在水热表的水流量大于预设阈值时，控制时间数字转换模块开启，以使时间数字转换模块对超声波在水管中的传播时间进行检测，进而使主控模块对水热表的水流量进行计算。本发明提供的水流量检测装置在保证水流量检测装置低功耗的同时，提高了对水流量的监测精度，解决了现有的水流量检测装置在TDC进入低功耗状态时存在的水流量监测精度较低的问题。

附图说明

图1是现有技术提供的水热表的水流量检测装置的模块结构图；

图2是本发明实施例提供的一种热水表的水流量检测装置的模块结构图；

图3是本发明实施例提供的一种水流量检测装置中的时间数字转换模块的模块结构图；

图4是本发明实施例提供的一种水流量检测装置中的启动检测模块的模块结构图；

图5是本发明实施例提供的一种水流量检测装置中的启动检测模块的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

图2示出了本发明实施例提供的一种热水表的水流量检测装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图2所示，一种水热表的水流量检测装置，包括超声波模块10、主控模块20、时间数字转换模块30及启动检测模块40。

其中，主控模块20分别与超声波模块10、时间数字转换模块30及启动检测模块40连接，超声波模块10的起始脉冲信号输出端与时间数字转换模块30的起始脉冲信号输入端和启动检测模块40的起始脉冲信号输入端连接，超声波模块10的停止脉冲信号输出端与时间数字转换模块30的停止脉冲信号输入端和启动检测模块40的停止脉冲信号输入端连接，启动检测模块40的输出端与时间数字转换模块连接。

超声波模块10包括超声波发射单元和超声波接收单元(图2中未绘出)，超声波发射单元与超声波接收单元的连线所在的直线与水流方向成预设角度。超声波发射单元在主控模块10的控制下向水热表的水管发射超声波，且在发射超声波的同时输出起始脉冲信号至时间数字转换模块30和启动检测模块40；超声波接收单元接收穿过水管的超声波，且在接收到超声波的同时输出停止脉冲信号至时间数字转换模块30和启动检测模块40；时间数字转换模块根据起始脉冲信号和停止脉冲信号检测超声波在水管中的传播时间；主控模块根据传播时间计算水热表的水流量。

当水热表的水流量为零时，主控模块20控制时间数字转换模块30关闭，控制启动检测模块40开启；启动检测模块40根据起始脉冲信号和停止脉冲信号对水热表的水流量进行监测，并在水热表的水流量大于预设阈值时，控制时间数字转换模块30开启，以使时间数字转换模块30对超声波在水管中的传播时间进行检测，进而使主控模块20对水热表的水流量进行计算。

在本发明实施例中，预设阈值可根据实际情况进行设置，此处不做限制。

主控模块可以采用单片机、CPU(Central Processing Unit，中央处理器)等实现，具体根据实际情况进行设置，此处不做限制。

时间数字转换模块30可以采用现有的基于延迟环的时间数字转换器(time todigital converter，TDC)。例如，如图3所示，时间数字转换模块30包括多个延迟单元X1～Xn、多个触发器FF1～FFn、译码器301及时间间隔计算单元302；每个延迟单元X1～Xn理论上的延迟时间相等；多个延迟单元X1～Xn按照前一个延迟单元的输出端接后一个延迟单元的输入端的方式依次串联连接，第一个延迟单元X1的输入端接收起始脉冲信号，多个触发器FF1～FFn的输入端分别与多个延迟单元X1～Xn的输出端连接，多个触发器FF1～FFn的时钟端均接收停止脉冲信号，多个触发器FF1～FFn的输出端均与译码器301连接，译码器301与时间间隔计算单元302连接，时间间隔计算单元302与主控模块连接。

当接收到起始脉冲信号时，多个延迟单元X1～Xn依次将起始脉冲信号进行延迟；当接收到停止脉冲信号时，在停止脉冲信号的上升沿，多个触发器FF1～FFn根据其当前输入端的状态，输出一组电平信号；译码器301将该电平信号转换为采样值，并将采样值输出至时间间隔计算单元302；时间间隔计算单元302根据采样值，便可计算出起始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔值。

例如，时间数字转换模块30包括7个延迟单元X1～X7和7个触发器FF1～FF7。当接收到停止脉冲信号时，多个触发器FF1～FF7输出的电平信号为1110000，说明在接收到停止脉冲信号时，起始脉冲信号经过了3个延迟单元的延迟，则译码器301输出的采样值为3。假设每个延迟单元的延迟时间为T，则时间间隔单元302计算出的起始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔值为3T，即超声波在水管中传输的时间为3T。主控模块20根据该时间间隔值，即可计算出水热表的水流量。

需要说明的是，主控模块20根据时间数字转换模块30输出的时间间隔值计算水热表的水流量的具体方式为现有技术，此处不再赘述。

图4示出了本发明实施例提供的一种水流量检测装置中的启动检测模块的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

启动检测模块包括信号转换单元401、电压转换单元402及比较单元403。

信号转换单元401的第一输入端和第二输入端分别为启动检测模块40的起始脉冲信号输入端和停止脉冲信号输入端，信号转换单元401的第一输出端和第二输出端分别与电压转换单元402的第一输入端和第二输入端连接，电压转换单元402的输出端与比较单元403的输入端连接，比较单元403的输出端为启动检测模块的输出端。

信号转换单元401将起始脉冲信号和停止脉冲信号转换为相应的控制电平信号；电压转换单元402将相应的控制电平信号转换为与起始脉冲信号和停止脉冲信号的时间间隔对应的电压值；比较单元403将电压值与基准电压值进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号至时间数字转换模块30。具体的，当电压转换单元402输出的电压值大于基准电压值时，比较单元403输出开启信号，以控制时间数字转换模块30开启；当电压转换单元402输出的电压值小于基准电压值时，比较单元403输出关闭信号，以控制时间数字转换模块30关闭。

可以理解的是，比较单元403可以直接输出开启信号或关闭信号至时间数字转换模块30，以直接控制时间数字转换模块30的开启或关闭，也可以将开启信号或关闭信号输出至主控模块20，以使主控模块20控制数字转换模块30的开启或关闭，具体根据实际情况进行设置，此处不做限制。

在本发明实施例中，超声波在水管中的传播时间越长，起始脉冲信号和停止脉冲信号的时间间隔越长，电压转换单元402输出的电压越高。

图5示出了本发明实施例提供的一种水流量检测装置中的启动检测模块的电路，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

电压转换单元402包括第一开关管N1、第二开关管N2、第一恒流源I1、第二恒流源I2、电容C1及隔离子单元420。

第一开关管N1的控制端和第二开关管N2的控制端分别为电压转换单元402的第一输入端和第二输入端，第一开关管N1的低电位端和第二开关管N2的低电位端共接于第二恒流源I2的输入端，第二恒流源I2的输出端接地，第一开关管N1的高电位端与电源连接，第二开关管N2的高电位端、电容C1的第一端及隔离子单元420的输入端共接于第一恒流源I1的输出端，第一恒流源I1的输入端与电源连接，电容C1的第二端接地，隔离子单元420的输出端为电压转换单元402的输出端。

在本发明实施例中，当信号转换单元401的第一输入端接收到起始脉冲信号时，信号转换单元401的第一输出端输出高电平，第二输出端输出低电平，第一开关管N1导通，第二开关管N2关断，第一恒流源I1开始为电容C1充电，电容C1的第一端的电压值不断增大；当信号转换单元401的第二输入端接收到停止脉冲信号时，信号转换单元401的第一输出端输出低电平，第二输出端输出高电平，第一开关管N1关断，第二开关管N2导通，第一恒流源I1停止为电容C1充电。第一恒流源I1为电容C1充电的时间与起始脉冲信号与停止脉冲信号之间的时间间隔成正比，即电容C1的第一端的电压与起始脉冲信号与停止脉冲信号之间的时间间隔成正比。

在实际应用中，信号转换单元401可以包括控制芯片和反向器，控制芯片的第一输入脚和第二输入脚分别为信号转换单元401的第一输入端和第二输入端，控制芯片的输出脚为信号转换单元401的第一输出端，反向器的输入端与控制芯片的输出脚连接，反向器的输出端为信号转换单元401的第二输出端。当控制芯片的第一输入脚接收到起始脉冲信号时，控制芯片输出高电平信号，反向器输出低电平信号；当控制芯片的第二输入脚接收到停止脉冲信号时，控制芯片输出低电平信号，反向器输出高电平信号。当然，信号转换单元401还可以采用数字电路来实现，具体根据实际情况进行设置，此处不做限制。

在本发明实施例中，隔离子单元420可以为隔离放大器，隔离放大器的输入端和输出端分别为隔离子单元420的输入端和输出端。隔离放大器具有很高的输入阻抗，其作用是隔离后级电路对电容C1的影响，以使电容C1上的电压可以保持较长时间，且其不会对电容的充电过程造成影响，同时，隔离放大器也可以对电压信号起到放大的作用。

作为本发明一实施例，比较单元403包括比较器Comp和基准电压源430。

比较器Comp的同相输入端为比较单元403的输入端，比较器Comp的反相输入端与基准电压源430连接，比较器Comp的输出端为比较单元403的输出端。

基准电压源430为比较器Comp提供基准电压；比较器Comp将隔离子单元420输出的电压与基准电压进行比较，若隔离子单元420输出的电压大于基准电压值，则说明起始脉冲信号与停止脉冲信号之间的时间间隔大于预设时间间隔值，即超声波在水管中传播的时间大于预设时间间隔，说明水管中水的流速大于预设流速。此时，比较器Comp输出开启控制信号至时间数字转换模块30，以控制时间数字转换模块30对超声波在水管中的流速进行检测，与此同时，主控模块20控制启动检测模块40关闭。

在本发明实施例中，时间数字转换模块30和启动检测模块40交替开启或关闭。即时间数字转换模块30开启时，启动检测模块40关闭；时间数字转换模块30关闭时，启动检测模块40开启。

由于启动检测模块40的精度要求不高，因此，启动检测模块40的电路结构较简单，功耗较低，因此，可以控制启动检测模块40以更高的频率对水流量进行监测，这样，在保证水流量检测装置低功耗的同时，降低了时间数字转换模块30对水流量检测的延时，提高了整个水流量检测装置对水流量的监测精度。

在实际应用中，第一开关管N1可以为第一NMOS管，第一NMOS管的栅极、源极及漏极分别为第一开关管N1的控制端、低电位端及高电位端。

第二开关管N2可以为第二NMOS管，第二NMOS管的栅极、源极及漏极分别为第二开关管N2的控制端、低电位端及高电位端。

当然，第一开关管N1和第二开关管N2还可以采用三极管、可控硅、场效应管等开关器件来实现，具体根据实际情况进行设置，此处不做限制。

本发明实施例还提供了一种水热表，其包括上述实施例中的水流量检测装置。

本发明实施例提供的水流量检测装置包括超声波模块、主控模块、时间数字转换模块及启动检测模块。在水热表的水流量为零时，主控模块控制时间数字转换模块关闭，控制启动检测模块开启；启动检测模块根据起始脉冲信号和停止脉冲信号对水热表的水流量进行监测，并在水热表的水流量大于预设阈值时，控制时间数字转换模块开启，以使时间数字转换模块对超声波在水管中的传播时间进行检测，进而使主控模块对水热表的水流量进行计算。本发明提供的水流量检测装置在保证水流量检测装置低功耗的同时，提高了对水流量的监测精度，解决了现有的水流量检测装置在TDC进入低功耗状态时存在的水流量监测精度较低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水热表的水流量检测装置，包括超声波模块、主控模块及时间数字转换模块；所述超声波模块在向所述水热表的水管发射超声波的同时输出起始脉冲信号，且在接收到穿过所述水管的所述超声波时输出停止脉冲信号，所述时间数字转换模块根据所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号检测所述超声波在所述水管中的传播时间；所述主控模块根据所述传播时间计算所述水热表的水流量；其特征在于，所述水流量检测装置还包括启动检测模块；

所述主控模块分别与所述超声波模块、所述时间数字转换模块及所述启动检测模块连接，所述超声波模块的起始脉冲信号输出端与所述时间数字转换模块的起始脉冲信号输入端和所述启动检测模块的起始脉冲信号输入端连接，所述超声波模块的停止脉冲信号输出端与所述时间数字转换模块的停止脉冲信号输入端和所述启动检测模块的停止脉冲信号输入端连接，所述启动检测模块的输出端与所述时间数字转换模块连接；

当水热表的水流量为零时，所述主控模块控制所述时间数字转换模块关闭，控制所述启动检测模块开启；所述启动检测模块根据所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号对所述水热表的水流量进行监测，并在所述水热表的水流量大于预设阈值时，控制所述时间数字转换模块开启，以使所述时间数字转换模块对所述超声波在所述水管中的传播时间进行检测，进而使所述主控模块对所述水热表的水流量进行计算；

所述启动检测模块包括信号转换单元、电压转换单元及比较单元；

所述信号转换单元的第一输入端和第二输入端分别为所述启动检测模块的起始脉冲信号输入端和停止脉冲信号输入端，所述信号转换单元的第一输出端和第二输出端分别与所述电压转换单元的第一输入端和第二输入端连接，所述电压转换单元的输出端与所述比较单元的输入端连接，所述比较单元的输出端为所述启动检测模块的输出端；

所述信号转换单元将所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号转换为相应的控制电平信号；所述电压转换单元将所述相应的控制电平信号转换为与所述起始脉冲信号和所述停止脉冲信号的时间间隔对应的电压值；所述比较单元将所述电压值与基准电压值进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号至所述时间数字转换模块；

所述超声波模块包括超声波发射单元和超声波接收单元，所述超声波发射单元与所述超声波接收单元的连线所在的直线与所述水管的水流方向成预设角度。

2.如权利要求1所述的水流量检测装置，其特征在于，所述电压转换单元包括第一开关管、第二开关管、第一恒流源、第二恒流源、电容及隔离子单元；

所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端分别为所述电压转换单元的第一输入端和第二输入端，所述第一开关管的低电位端和所述第二开关管的低电位端共接于所述第二恒流源的输入端，所述第二恒流源的输出端接地，所述第一开关管的高电位端与电源连接，所述第二开关管的高电位端、所述电容的第一端及所述隔离子单元的输入端共接于所述第一恒流源的输出端，所述第一恒流源的输入端与所述电源连接，所述电容的第二端接地，所述隔离子单元的输出端为所述电压转换单元的输出端。

3.如权利要求1所述的水流量检测装置，其特征在于，所述比较单元包括比较器和基准电压源；

所述比较器的同相输入端为所述比较单元的输入端，所述比较器的反相输入端与所述基准电压源连接，所述比较器的输出端为所述比较单元的输出端。

4.如权利要求2所述的水流量检测装置，其特征在于，所述隔离子单元为隔离放大器；

所述隔离放大器的输入端和输出端分别为所述隔离子单元的输入端和输出端。

5.如权利要求2所述的水流量检测装置，其特征在于，所述第一开关管为第一NMOS管，所述第一NMOS管的栅极、源极及漏极分别为所述第一开关管的控制端、低电位端及高电位端。

6.如权利要求2所述的水流量检测装置，其特征在于，所述第二开关管为第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极、源极及漏极分别为所述第二开关管的控制端、低电位端及高电位端。

7.一种水热表，其特征在于，所述水热表包括如权利要求1至6任一项所述的水流量检测装置。

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