CN110608779A - 一种基于电阻应变片实现的低功耗超声波水表设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电阻应变片实现超声波水表的低功耗测量。由电阻应变式传感器作为管道内流体流动状态的监测模块，根据流体的流动状态采用不同模式的测量方法来提高测量精度和降低测量功耗。当电阻应变式传感器检测到管道内没有流体流过时，超声波水表则处于低功耗睡眠模式，直到有流体流过时才唤醒超声波水表的主控芯片并开启测量模式。而且，在实际使用中超声波水表可能会受到各种因素的干扰从而对计量精度产生影响，所以采用电阻应变式传感器将管道内流体的流动状态转化为电压信号传送到超声波水表的主控单元，主控单元根据流体的状态采用不同的测量模式进行实时调整。从而消除外界的干扰来提高测量的精度。

Description

一种基于电阻应变片实现的低功耗超声波水表设计

技术领域

本发明涉及流量计量领域，具体涉及由电阻应变片实现超声波水表的低功耗测量。

背景技术

随着超声波技术的不断发展，超声波流量计的需求量也在逐年增长。超声波水表测量具有压损低、精度高、非接触等优点，这使得超声波水表被广泛使用。目前，我国的流量计量仪表生产厂商也在进行转型，从传统的机械式流量计开始向新型智能化流量计转变。智能化流量计除了能实现对流量的精确计量，也不断扩展其它新的功能模块，但是这对流量计的功耗和使用寿命带来很大的挑战。故本发明设计一种基于电阻应变片实现超声波水表的低功耗、高精度测量，这对多功能和智能化流量计的进一步研发提供重要基础。

发明内容

本发明的目的是利用电阻应变式传感器作为管道内流体流动状态的监测模块，通过电阻应变式传感器检测出管道内流体不同的流动状态，超声波水表由此来采用不同的测量模式，这是其降低功耗和提高测量精度的重要保障。电阻应变式传感器由电阻应变片和直流转换电桥组成。当管道内有流体流过时，电阻应变片因受到流体的冲击而产生形变，从而改变其自身的电阻。为了能测量出应变片阻值微弱的变化，将电阻应变片接入对称直流电桥作为转换电路中，实现将电阻变化量转换为电压信号。上述的电阻应变式传感器与超声波水表的主控芯片相连，并将自身的电阻阻值变化量转换为电压传送给测量主机。具体技术方案如下：

在本发明一个较佳实施例中，所述的超声波水表主要用于家用的小管径流量计量，流体管径一般介于DN15—DN25之间，考虑到当小管径内流体的流速稍快的情况下，可能出现超声波渡越时间无法精准测量的情况；此外，一般的超声波换能器在实际安装中都会与管道存在一定夹角，但是当流体的温度发生变化，反射角发生变化，会导致角度有一定偏差，导致测量出现误差。因此，本发明的流体管道采用U型法测量，超声波信号经过2次反射测量方式，很好的解决了这一问题，增加了超声波在流体中的渡越时间来保证计量的准确性，同时消除了安装角度对测量精度的影响。

在本发明一个较佳实施例中，所述的U型法测量中超声波信号在管道内随流体的传播要经过2次反射。所以在测量管段底部安装一对超声波水表的反射片装置，在反射片装置的正上方且与管道流体垂直方向设有一对超声波换能器的安装孔。在测量管段体设有一个可受力形变的封装元件。该封装元件内设有密封绝缘的弹性元件、电阻应变片和转换电路，把电阻应变片粘贴在弹性元件的表面并随弹性元件的形变而改变自身的电阻；将4个电阻应变片接入对称直流电桥的转换电路中，实现将所述电阻变化量转换为电压信号输出。上述的电阻应变式传感器与超声波水表的STM32F10系列单片机相连，并将自身的电阻阻值变化量转换成电压传输至单片机的ADC测量模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述的电阻应变片采用金属丝式应变片，它的敏感栅丝直径在0.012～0.05mm。弹性元件为矩形钢条状。在弹性元件的中间位置粘贴2对电阻应变片。为了能测量出应变片阻值微弱的变化。将4个电阻应变片其接入对称直流电桥作为转换电路，这样极大提高了应变片电桥的灵敏度，同时还具有温度补偿作用。

在本发明一个较佳实施例中，所述的测量管段体设有与封装件相匹配的安装孔，封装原件插于安装孔内，在封装原件的外围设有与安装孔内壁相抵的封闭隔层，在封闭隔层的上方设有用于固定封装件的密封板。

在本发明一个较佳实施例中，所述的超声波水表的测量主机包括主机壳体及位于主机壳体内的电路板，电路板包括主控芯片STM32F10系列的单片机、高精度时间转换芯片TDC-GP22、LCD显示屏和电源部分组成。主机壳体与测量管段设相对接的安装孔，通过六角插口螺栓与测量管段相固定，且固定在安装孔内的封装元件和超声波换能器的引线一起伸入至主机壳体内并通过连接线与测量主机相连接，所述电阻应变式传感器通过导线分别与电路板上的电源及主控芯片相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述的电阻应变式传感器作为管道内流体流动状态的监测模块，当电阻应变式传感器监测到管道长时间、不间断的有流体流动时，超过了设定的连续流量时间，很有可能是流体的测量管段出现漏水现象，电路板配置的报警单元向用户发送报警提示信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明涉及一种基于电阻应变片实现超声波水表的低功耗测量。采用电阻应变式传感器作为检测管道内流体流动状态的监测模块，当测量管道内没有流体流过时，超声波水表则处于低功耗睡眠模式，直到电阻应变式传感器检测到管道内有流体流过时才唤醒超声波水表的主控芯片，并开启测量模式。本发明的超声波水表主要用于家用式小管径的流量计量，供电方式一般采用电池供电。而用户每天用水时间大约在1-3小时，故超声波水表的大部分时间处于睡眠模式，这对智能化超声波水表的低功耗测量具有极大意义，也是智能化、多功能的流量计研发的重要基础。

2、本发明利用电阻应变式传感器作为管道内流体的流动状态的监测模块，所以可以根据流体的流动状态采用动态自适应测量周期算法来弥补超声波水表一直处于高速测量状态的缺陷。如果用户的自来水管道长时间有水流流动时，超声波水表一直处于高速工作状态，这对超声波水表的功耗带来极大的消耗。因此，采用电阻应变式传感器测量水流的流动状态并将其转化为电压信号传送给超声波水表的主控单元，超声波水表的主控单元根据接收到的信号大小将测量频率随水流状态进行实时调整。一旦检测到水开始流动时，程序迅速将测量频率调高以达到精确计量；当水持续流动并且流速连续稳定一定时间后，程序根据流速将测量频率逐步调低，这样既保证了测量的准确度，又降低了功耗。

3、另外，在实际使用中超声波水表可能会受到水压、气压等的变化造成水流发生波动而对计量精度产生影响，当管道内流体状态发生突变以及波动较大时，如果不能准确的反映流体的流动状态，那么计量精度降低甚至发生计量错误。因此，当电阻应变式传感器检测到管道内流体波动较大时，超声波水表在测量时采用滤波算法来滤除波动，从而消除一些外界造成的干扰，达到提高精度的效果。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的封装原件结构示意图。

图3是本发明的金属丝电阻应变片示意图。

图4是本发明的电阻应变式传感器与主控芯片的连接示意图。

图5是本发明的超声波水表的结构框图。

图中：测量管段体1、测量主机超声波水表2、反射片装置3、超声波换能器4、换能器引线5、封装元件6、弹性原件7、封闭隔层8、密封板9、锁定螺栓10、固定螺栓11、六角插口螺栓12、电阻应变片13、流体通道14、超声波换能器的安装孔15、封装原件的安插孔16、测量主机的外壳17、对称直流转换电路18、主控芯片STM32F10单片机19、计时芯片GP2220、SPI通信方式21、电源模块22、温度传感器23、电阻应变式传感器24、报警模块25、按键模块26、LCD显示模块27。

具体实施方式

下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。

如图1所示，一种基于电阻应变片实现的低功耗超声波水表设计的结构图，包括测量管段体1、测量主机超声波水表2、反射片装置3、超声波换能器4、换能器引线5、封装元件6、弹性原件7、封闭隔层8、密封板9、锁定螺栓10、固定螺栓11、六角插口螺栓12、电阻应变片13、流体通道14、超声波换能器的安装孔15、封装原件的安插孔16、测量主机的外壳17。所述测量管段体1内部具有一供流体流通的流体通道14，所述测量主机2固定在主机的外壳17内，主机的外壳17与测量管段1设相对接的安装孔，通过六角插口螺栓12与测量管段1相固定，所述测量管段1底部安装一对超声波水表的反射片装置3，所述的反射片装置3的正上方且与管道流体垂直方向设有一对超声波换能器的安装孔15。所述的一对超声波换能器4安插于安装孔15。所述测量管段1设有一个可受力形变的封装元件6，该封装元件6内设有密封绝缘的弹性元件7、电阻应变片13。所述测量管段体1设有与封装元件6相匹配的安插孔16，封装原件6插于安装孔16内，所述封装元件6的外围设有与安插孔16内壁相抵的封闭隔层8，封闭隔层8的上方设有用于固定封装元件6的密封板9。所述密封板9的一端与测量管段1的内壁通过锁定螺栓10固定；密封板9的另一端与封装元件6通过固定螺栓11固定；所述弹性元件7的中间位置粘贴2对电阻应变片13，电阻应变片13随封装元件6一起插入流体通道14，电阻应变片13因受到流体的冲击而产生形变，从而改变其自身的电阻。所述4个电阻应变片接入如图3所示的对称直流电桥的转换电路18实现将所述电阻变化量转换为电压信号输出。所述转换电路的输出信号与测量主机超声波水表2相连，实现将电阻应变片的阻值变化量经过转换电路转换成电压信号传输至测量主机超声波水表2。所述封装元件6和超声波换能器的引线5一起伸入至主机壳体17内并通过连接线引接至测量主机超声波水表2的控制单元。

如图5所示，超声波水表测量主机的电路板结构示意图，电源模块22为STM32F10单片机19和计时芯片GP2220和温度传感器23、电阻应变式传感器24供电。电阻应变式传感器24检测到管道内流体流动时改变其自身的电阻并转换为电压信号传送给测量主机STM32F10单片机19。测量主机19接收到电压信号之后，唤醒处于睡眠模式的单片机，开启测量模式。通过SPI通信方式21向计时芯片GP2220发送测量信号，计时芯片GP2220接收到测量信号开始向超声波换能器4发送激发信号，开启上下游的时间测量。测量完成后产生外部中断通过SPI方式21向单片机19发送测量时间差，单片机19接收后通过管径大小计算出流量大小，并通过LCD显示模块27显示出流量信息。所述按键模块26用于切换LCD显示模块27显示出流量信息的页面。所述温度传感器23采用PT1000热敏电阻测量管道流体的温度，将热敏电阻的接线端连接到计时芯片GP2220的测温管脚，计时芯片GP2220可根据热敏电阻变化情况计算出当前温度并存储供主控芯片19读取，最后计算管道内流体的温度大小。所述电阻应变式传感器24检测到管道长时间、不间断的有流体流动时，且超过了设定的连续流量时间，很有可能是流体的测量管段出现漏水现象，报警单元25向用户发送报警提示信息。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于电阻应变式传感器实现的低功耗超声波水表的设计，包括测量管段体(1)及测量主机超声波水表(2)，超声波换能器(4)，电阻应变式传感器(24)。

2.一种基于电阻应变式传感器实现的低功耗超声波水表的设计，还包括反射片装置(3)、电阻应变片(13)、封装原件(6)、弹性原件(7)、封闭隔层(8)、密封板(9)、对称直流转换电路(18)、PT1000热敏电阻(23)、锁定螺栓(10)。

3.根据权利要求1所述的基于电阻应变式传感器实现的低功耗超声波水表的设计，其特征在于，测量管段体(1)具有一供流体流通的流体通道(14)，所述测量主机(2)固定在主机的外壳(17)内并与测量管段(1)设相对接的安装孔相固定，所述测量管段(1)底部安装一对超声波水表的反射片装置(3)，所述反射片装置(3)的正上方且与管道流体垂直方向设有一对超声波换能器的安装孔(15)。所述一对超声波换能器(4)安插于安装孔(15)。

4.根据权利要求1所述的基于电阻应变式传感器实现的低功耗超声波水表的设计，其特征在于，测量管段(1)设有一个可受力形变的封装元件(6)，该封装元件(6)内设有密封绝缘的弹性元件(7)、电阻应变片(13)。所述测量管段体(1)设有与封装元件(6)相匹配的安插孔(16)，封装原件(6)插于安装孔(16)内，所述封装元件(6)的外围设有与安插孔(16)内壁相抵的封闭隔层(8)，封闭隔层(8)的上方设有用于固定封装元件(6)的密封板(9)。所述密封板(9)的一端与测量管段(1)的内壁通过锁定螺栓(10)固定；密封板(9)的另一端与封装元件(6)通过固定螺栓(11)固定。

5.据权利要求1所述的基于电阻应变式传感器实现的低功耗超声波水表的设计，其特征在于，弹性元件(7)的中间位置粘贴2对电阻应变片(13)，电阻应变片(13)随封装元件(6)一起插入流体通道(14)，电阻应变片(13)因受到流体的冲击而产生形变，从而改变其自身的电阻。所述4个电阻应变片(13)接入对称直流电桥的转换电路(18)实现将所述电阻变化量转换为电压信号输出。所述转换电路的输出信号与测量主机超声波水表(2)相连，实现将电阻应变片的阻值变化转换成电压信号传输至测量主机超声波水表(2)。

6.根据权利要求5所述的超声波水表测量主机的电路板结构示意图，其特征在于，电源模块(22)为STM32F10单片机(19)和计时芯片GP22(20)和温度传感器(23)、电阻应变式传感器(24)供电。电阻应变式传感器(24)检测到管道内流体流动时改变其自身的电阻并转换为电压信号传送给测量主机STM32F10单片机(19)。测量主机(19)接收到电压信号之后，唤醒处于睡眠模式的单片机，开启测量模式。测量主机(19)接收后通过管径大小计算出流量大小，并通过LCD显示模块(27)显示出流量信息。所述按键模块(26)用于切换LCD显示模块(27)显示出流量信息的页面。所述温度传感器(23)采用PT1000热敏电阻测量管道流体的温度，所述电阻应变式传感器(24)检测到管道长时间、不间断的有流体流动时，且超过了设定的连续流量时间，报警单元(25)向用户发送报警提示信息。