CN111380597A - 一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位差式超声波流量计的流量检测方法，包括：获取接收信号；将获取的接收信号与参考信号的相位差进行比较；根据比对的结果，判断超声波的流速是否发生异常。在本发明中，通过设置了流速异常检测电路实现对异常流速的检测，将对其超声波流速的实时检测，通过进行检测，将参考信号和接收信号之间的相位差进行比对检测，实现流速异常的实时监控，并通过控制电路进行及时的反馈，避免了气体的流速在测量过程中发生较大的改变问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声波流量计装置，尤其涉及一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法及电路。
背景技术
目前市场上主流的超声波流量计多是利用流体(液体、空气)对超声波传播速度的影响来进行测量。通过分别对顺流和逆流方向进行一次超声波传播时间的测量，得到两次测量的时间差Δt，然后根据声速c、超声波换能器之间的距离L以及超声波换能器和管道夹角θ即可计算出管道中流体的流速，为：
测量流速可以直接通过测量时差Δt得到，也可以通过将时差转化为相位差进行测量。如申请号为201020580382.7中描述的一种相位差式超声波流量计计量装置，流量计通过比较超声波换能器接收到的信号和参考信号之间的相位差，通过F/V转换电路和模拟数字转换器后计算得到Δt和流体速度。
但是上述相位差式超声波流量计存在一个问题，即相差检测过程中需要信号保持稳定，而一旦气体的流速在测量过程中发生较大的改变，那么所得到的测量结果就是错误的，需要被剔除重新测量。
基于以上存在的技术问题，本发明提供了解决以上技术问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法及电路，通过设置了流速异常检测电路实现对异常流速的检测，并通过控制电路进行及时的反馈，避免了错误信息获取的发生。
本发明提供的技术方案如下：
一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，包括：包括：获取接收信号；将获取的接收信号与参考信号的相位差进行比较；根据比对的结果，判断超声波的流速是否发生异常。
进一步优选的，包括：将接收信号的上升沿，或下降沿的个数与参考信号的上升沿的个数对应的在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的上升沿的个数进行比对；当接收信号的上升沿的个数与对应的参考信号的上升沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
进一步优选的，包括：在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的下降沿的个数；将接收信号的下降沿的个数与参考信号的下降沿的个数对应的进行比对；当接收信号的下降沿的个数与对应的参考信号的下降沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
进一步优选的，包括：在设定的时间周期分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间；将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间进行比对；当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
进一步优选的，包括：在设定的时间周期内分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间；将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间进行比对；当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，可执行上述所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，还包括：发送超声波信号的第一换能器，接收超声波信号的第二换能器，信号处理电路，相差检测电路，流速异常检测电路以及控制电路；第一换能器向第二换能器发送超声波信号；第二换能器将接收到的超声波信号发送至信号处理电路；信号处理电路将接收的超声波信号进行处理后，通过相差检测电路与参考信号进行比对，比对后的结果同时发送至控制电路，以及流速异常检测电路；流速异常检测电路进行相位差的计算，控制电路根据比对后的结果，进一步的判断超声波的流速是否异常。
进一步优选的，所述流速异常检测电路包括：第一计数器U10，第二计数器U11；第一计数器U10的第1管脚1CK端与所述信号处理电路通信连接；第一计数器U10的第3管脚1QA端与第二计数器U11的第1管脚1CK端通信连接；第一计数器U10的第11管脚2QA端分别与第二计数器U11的第2管脚1CLK端，及第12管脚2CLR端通信连接；第一计数器U10的第13管脚2CK端与所述相差检测电路以及控制电路通信连接；第二计数器U11的第3管脚1QA端、第二计数器U11的第4管脚1QB端、第二计数器U11的第10管脚2QB端、第二计数器U11的第11管脚2QA端都与控制电路的输入端对应通信连接。
进一步优选的，所述信号处理电路包括：第一运放U6，第二运放U7；第一运放U6的第一反向输入端与所述信号切换电路通信连接；第一运放U6的第一输出端通过由电容C7以及电阻R8组成的RC电路与第一运放U6的第二输出端，及第一运放U6的第二反向输入端，及第二运放U7的第3管脚PV端通信连接；第二运放U7的第1管脚Q端与相差检测电路的输入端通信连接。
进一步优选的，所述相差检测电路包括：鉴频鉴相器U8，第三运放U9；鉴频鉴相器U8的第5管脚信号输入端与所述信号处理电路通信连接；鉴频鉴相器U8的第10管脚信号输出端通过限流电阻R11与第三运放U9的第三管脚同相输入端通信连接；第三运放U9的第6管脚信号输出端分别与控制电路、以及流速异常检测电路通信连接。
进一步优选的，还包括，信号切换电路：所述信号切换电路分别与所述第一换能器和第二换能器通信连接；在所述信号切换电路中设置有4个开关芯片，分别为：开关芯片U1、开关芯片U2、开关芯片U3、开关芯片U4；开关芯片U1以及开关芯片U2的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C1接地；开关芯片U3以及开关芯片U4的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C2接地；开关芯片U1以及开关芯片U3的第二开关端(D)通信连接，且与发送驱动电路通信连接；开关芯片U2以及开关芯片U4的第二开关端(D)通信连接，且与信号处理电路通信连接。
本发明提供的一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法及电路，至少带来以下一种有益效果如下：
在本发明中，通过设置了流速异常检测电路实现对异常流速的检测，其具体，将对其超声波流速的实时检测，通过进行检测，将参考信号和接收信号之间的相位差进行比对检测，实现流速异常的实时监控，并通过控制电路进行及时的反馈，避免了气体的流速在测量过程中发生较大的改变问题时，检测的信息发生错误的问题。
在本发明中，通过设置流速异常检测电路为相差检测过程实时检测信号的稳定状态，而一旦气体的流速在测量过程中发生较大的改变，避免了被剔除重新测量的问题，从而造成工作效率低的问题。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的一个实施例的结构图；
图2是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图3是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图4是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图5是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图6是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图7是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图；
图8是本发明一种相位差式超声波流量计的流量异常检测方法的另一个实施例的电路图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
本发明提供了一种相位差式超声波流量计的流量检测方法，参考图1所示；包括：步骤S100获取接收信号；步骤S200将获取的接收信号与参考信号的相位差进行比较；步骤S300根据比对的结果，判断超声波的流速是否发生异常。
具体的，在本实施例中，主要用于实现超声波流量计的流速检测，用于判断流速是否稳定，并且及时准确的判断出异常发生的情况；具体的检测过程为：换能器1发送信号，换能器2接收信号，控制电路对换能器1以周期信号进行驱动并发送超声波，经过设定的周期时间后，超声波到达换能器2，换能器2开始实现信号的接收，即为接收信号；继而从接收到的信号中截取其中某一段稳定波形，对其进行检测，将参考信号和接收信号之间的相位差进行比对检测，同时流速异常检测电路对接收信号进行检测，判断在相位差检测的过程中流量是否稳定。
在本发明中，通过设置了流速异常检测电路实现对异常流速的检测，其具体，将对其超声波流速的实时检测，通过进行检测，将参考信号和接收信号之间的相位差进行比对检测，实现流速异常的实时监控，并通过控制电路进行及时的反馈，避免了气体的流速在测量过程中发生较大的改变问题。
本发明还提供了针对异常流速检测的实施例，参考图2所示；包括：将接收信号的上升沿，或下降沿的个数与参考信号的上升沿的个数对应的在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的上升沿的个数；进行比对；当接收信号的上升沿的个数与对应的参考信号的上升沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
优选的，包括：在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的下降沿的个数；将接收信号的下降沿的个数与参考信号的下降沿的个数对应的进行比对；当接收信号的下降沿的个数与对应的参考信号的下降沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
具体的，在本实施例中，检测方法为：通过图2所示；假设以5个周期的时间来进行相位差检测，一般在当接收信号稳定后，相位差测量电路对接收信号和参考信号间的相位差进行检测。同时流速异常检测电路开始工作，分别对参考信号和接收信号的上升沿，或者下降沿进行计数。如果在测量过程中流速未发生变化，测量结束时，图6所示；计数器1和计数器2的值应该相等，采集到的上升沿个数都为5个。如果在测量过程中流量有突变，例如阀门开启或关断引起，此时接收信号的相位会发生紊乱，可能会提前或者延迟，使得测量结束后计数器1和2的值不等。如检测到该情况，即可判定此次测量结果无效，避免了错误的数据计入流量读数，制电路发出控制指令进行重新检测。
本发明还提供了针对异常流速检测的另一实施例，参考图3所示；包括：在设定的时间周期分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间；将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间进行比对；当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
优选的，包括：在设定的时间周期内分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间；将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间进行比对；当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
具体的，在本实施例中提供了一种当测量精度要求较高时，可能用上百个周期时间来进行相位差检测，此时可能发生如图3所示的情况，即测量过程中流量发生了若干次突变，但是测量结束后两个计数器的值却相等。为了解决这个问题，可以采用如图4所示；该电路由两个2位的计数器构成，其中计数器对clk管脚的上升沿或下降沿进行计数，RST端是上升沿复位或下降沿复位，D是输出。图5为具体产生波形变化，当接收信号在流量突变时上升沿增加，则计数器1会大于1，当上升沿减少时，计数器2会大于1，系统一旦检测到任意一个计数器大于1，即表示流量已经发生突变。相当于每个波形的对应位置的两个两个上升沿，或者下降沿的时间不等，如果不等则发生异常。
本发明还提供了一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，可执行上述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法实施例，参考图7所示；还包括：发送超声波信号的第一换能器1接收超声波信号的第二换能器2，信号处理电路400，相差检测电路600，流速异常检测电路500以及控制电路100；第一换能器1向第二换能器发送超声波信号；第二换能器2将接收到的超声波信号发送至信号处理电路；信号处理电路将接收的超声波信号进行处理后，通过相差检测电路与参考信号进行比对，比对后的结果同时发送至控制电路，以及流速异常检测电路；流速异常检测电路进行相位差的计算，控制电路根据比对后的结果，进一步的判断超声波的流速是否异常。
具体的，参考图7所示；在本发明中还包括发送驱动电路200，用于接收控制电路100发送的驱动命令至信号切换电路，控制具体哪一个设置为发送端，哪一个为接收端，从而控制两个换能器发送信号；信号处理电路用于将接受信息进行滤波放大后，输入至相差检测电路以及流速异常检测电路；相差检测电路用于计算接收信号的相位差，根据相位差进行流速是否稳定；同时异常流速检测电路截图设定周期内的接收信号是否发生异常，如果设定周期内的信号发生异常，则丢弃，控制电路会发送命令重新进行截取，再次进行判断测量。
在本发明中，通过设置流速异常检测电路，可以判断在设定周期截取的接收信号是否正常，如果正常，则可以计算出稳定条件下得相位差，进一步计算出稳定的流速，使其流速运算更加准确可靠。
本发明还提供一个实施例，参考图7-8所示；所述流速异常检测电路包括：第一计数器U10，第二计数器U11；U10和U11的型号为：74VHC393FT；第一计数器U10的第1管脚1CK端与所述信号处理电路通信连接；第一计数器U10的第3管脚1QA端与第二计数器U11的第1管脚1CK端通信连接；第一计数器U10的第11管脚2QA端分别与第二计数器U11的第2管脚1CLK端，及第12管脚2CLR端通信连接；第一计数器U10的第13管脚2CK端与所述相差检测电路以及控制电路通信连接；第二计数器U11的第3管脚1QA端、第二计数器U11的第4管脚1QB端、第二计数器U11的第10管脚2QB端、第二计数器U11的第11管脚2QA端都与控制电路的输入端对应通信连接。
具体的，U10中的两个计数器分别对U7第1管脚产生的接收信号和CPU提供的参考信号进行二分频，产生的信号分别为SIG和REF，然后如图6所示，分别接入U11中两个计数器的计数CK端和复位CLR端。CPU根据U11的输出来判断相位差测量过程中是否发生流量突变。
本发明还提供一个实施例，参考图7-8所示；所述信号处理电路包括：第一运放U6、型号：AD8652；第二运放U7、型号：ADCMP600；第一运放U6的第一反向输入端与所述信号切换电路通信连接；第一运放U6的第一输出端通过由电容C7以及电阻R8组成的RC电路与第一运放U6的第二输出端，及第一运放U6的第二反向输入端，及第二运放U7的第3管脚PV端通信连接；第二运放U7的第1管脚Q端与相差检测电路的输入端通信连接。
具体的，第一运放U6用于对接收信号进行滤波处理，处理完成后进一步的通过第二运放U7进行放大，将放大可识别的信号发送至相差检测电路；第二运放U7的第1管脚Q端与相差检测电路中鉴频鉴相器U8的滴管脚VOCIN端；从而实现接收信号的处理。
在本发明中，信号处理电路通过对接收信号的滤波放大处理后，将接收信号变得更加可靠，可识别。
优选的，所述相差检测电路包括：鉴频鉴相器U8，第三运放U9；鉴频鉴相器U8的第5管脚信号输入端与所述信号处理电路通信连接；鉴频鉴相器U8的第10管脚信号输出端通过限流电阻R11与第三运放U9的第三管脚同相输入端通信连接；第三运放U9的第6管脚信号输出端分别与控制电路、以及流速异常检测电路通信连接。
具体的，鉴频鉴相器U8用于识别并计算接收信号和参考信号之间的相位差，该相位差通过R11、R12和C8组成的低通滤波器处理后会产生相应的直流电平，第三运放U9用于对该电平进行缓冲驱动，发送给控制电路，控制电路根据该直流电平的值进行流速的计算；
本发明还提供一个实施例，参考图7-8所示；优选的，还包括，信号切换电路：所述信号切换电路分别与所述第一换能器和第二换能器通信连接；在所述信号切换电路中设置有4个开关芯片，分别为：开关芯片U1、开关芯片U2、开关芯片U3、开关芯片U4；开关芯片U1以及开关芯片U2的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C1接地；开关芯片U3以及开关芯片U4的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C2接地；开关芯片U1以及开关芯片U3的第二开关端(D)通信连接，且与发送驱动电路通信连接；开关芯片U2以及开关芯片U4的第二开关端(D)通信连接，且与信号处理电路通信连接。
具体的，在本实施例中设置了4个单刀开关，用于实现对换能器的控制，在开关芯片U1、开关芯片U2、开关芯片U3、开关芯片U4中设置的第4管脚IN端与控制电路100相连接，实现对两个换能器的切换，因此本发明可以实现对应流量计中换能器的灵活切换，实现多种控制方式。
在本发明中，控制电路内设置有控制芯片，可以为ARM系列，51系列，以及PIC系列等；同时每个电路图中的各个元器件在满足性能参数的情况下，可以替换。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种相位差式超声波流量计的流量检测方法，其特征在于，包括：
获取接收信号；
将获取的接收信号与参考信号的相位差进行比较；
根据比对的结果，判断超声波的流速是否发生异常。
2.根据权利要求1所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，其特征在于，包括：
将接收信号的上升沿，或下降沿的个数与参考信号的上升沿的个数对应的在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的上升沿的个数；
进行比对；
当接收信号的上升沿的个数与对应的参考信号的上升沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
3.根据权利要求1所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，其特征在于，包括：
在设定时间周期内统计接收信号以及参考信号的下降沿的个数；
将接收信号的下降沿的个数与参考信号的下降沿的个数对应的进行比对；
当接收信号的下降沿的个数与对应的参考信号的下降沿的个数不等时，则判断所述接收信号发生异常。
4.根据权利要求1所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，其特征在于，包括：
在设定的时间周期分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间；
将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间进行比对；
当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的上升沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
5.根据权利要求1所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，其特征在于，包括：
在设定的时间周期内分别获取接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间；
将获取的接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间进行比对；
当在接收信号以及参考信号中相邻两个脉冲的下降沿持续的时间不等时，则判断所述接收信号发生异常。
6.一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，其特征在于，可执行权利要求1-5任由所述相位差式超声波流量计的流量异常检测方法，其特征在于，还包括：发送超声波信号的第一换能器，接收超声波信号的第二换能器，信号处理电路，相差检测电路，流速异常检测电路以及控制电路；
第一换能器向第二换能器发送超声波信号；
第二换能器将接收到的超声波信号发送至信号处理电路；
信号处理电路将接收的超声波信号进行处理后，通过相差检测电路与参考信号进行比对，比对后的结果同时发送至控制电路，以及流速异常检测电路；流速异常检测电路进行相位差的计算，控制电路根据比对后的结果，进一步的判断超声波的流速是否异常。
7.根据权利要求6所述的一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，其特征在于，所述流速异常检测电路包括：第一计数器U10，第二计数器U11；
第一计数器U10的第1管脚1CK端与所述信号处理电路通信连接；
第一计数器U10的第3管脚1QA端与第二计数器U11的第1管脚1CK端通信连接；
第一计数器U10的第11管脚2QA端分别与第二计数器U11的第2管脚1CLK端，及第12管脚2CLR端通信连接；
第一计数器U10的第13管脚2CK端与所述相差检测电路以及控制电路通信连接；
第二计数器U11的第3管脚1QA端、第二计数器U11的第4管脚1QB端、第二计数器U11的第10管脚2QB端、第二计数器U11的第11管脚2QA端都与控制电路的输入端对应通信连接。
8.根据权利要求6所述的一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，其特征在于，所述信号处理电路包括：第一运放U6，第二运放U7；
第一运放U6的第一反向输入端与所述信号切换电路通信连接；
第一运放U6的第一输出端通过由电容C7以及电阻R8组成的RC电路与第一运放U6的第二输出端，及第一运放U6的第二反向输入端，及第二运放U7的第3管脚PV端通信连接；第二运放U7的第1管脚Q端与相差检测电路的输入端通信连接。
9.根据权利要求6所述的一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，其特征在于，所述相差检测电路包括：鉴频鉴相器U8，第三运放U9；
鉴频鉴相器U8的第5管脚信号输入端与所述信号处理电路通信连接；鉴频鉴相器U8的第10管脚信号输出端通过限流电阻R11与第三运放U9的第三管脚同相输入端通信连接；
第三运放U9的第6管脚信号输出端分别与控制电路、以及流速异常检测电路通信连接。
10.根据权利要求6所述的一种相位差式超声波流量计的流量异常检测电路，其特征在于，还包括，信号切换电路：所述信号切换电路分别与所述第一换能器和第二换能器通信连接；
在所述信号切换电路中设置有4个开关芯片，分别为：开关芯片U1、开关芯片U2、开关芯片U3、开关芯片U4；
开关芯片U1以及开关芯片U2的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C1接地；
开关芯片U3以及开关芯片U4的第一开关端(S)通信连接，且通过电容器C2接地；
开关芯片U1以及开关芯片U3的第二开关端(D)通信连接，且与发送驱动电路通信连接；
开关芯片U2以及开关芯片U4的第二开关端(D)通信连接，且与信号处理电路通信连接。
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