CN112798065A - 一种无线远传超声波水表 - Google Patents

一种无线远传超声波水表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线远传超声波水表,包括外壳,所述外壳内部设有基表和数据模块,所述基表安装在水管上,基表与数据模块相连,基表内设有超声波换能器。上述技术方案应用一对超声波换能器相向交替或同时收发超声波,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,集测量、积算、显示、阀门控制、LoRa无线通讯于一体,采用微功耗技术,能耗低,可实现最小流量0.01m3/h的准确测量,同时仪表具有体积小、稳定性好、抗干扰能力强等特点。

Description

一种无线远传超声波水表
技术领域
本发明涉及流量表领域,尤其涉及一种无线远传超声波水表。
背景技术
有资料显示,2012年立足水资源战略全局,提出了水计量技术应以计量、检测、控制为一体,向高精度、智能化、系统化等方向发展的要求。超声波水表是利用超声波流量检测原理,在额定工作条件下检测、存储和显示瞬时流量及累计流量的计量仪表,无机械运动部件、压力损失小、始动流量低、误差特性曲线可修正,而且可实现数据远传,具备下一代智能水表的基本特征和功能。
现在的水表测量技术大多采用霍尔传感器作为测量元器件,通过脉冲个数的测量来达到测量的目的。这种方式容易受强磁干扰破坏,同时也受到磁元器件的影响。和传统的机械式、电磁式流量仪表相比,超声波水表具有计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等优点。
近年来,由于电子技术的发展,电子元气件的成本大幅度下降,使得超声波流量仪表的制造成本大大降低,超声波水表也开始普及起来。另外,超声波水表凭借非接触式检测,精度高、量程比宽等优势,被广泛用于石油,化工和城镇供水等领域。因此研究超声波水表,不仅可以推动阶梯水价制度的建立,而且可以实现智能水表的战略转型,对我国水表产业的发展具有重要意义。
中国专利文献CN109238387A公开了一种“无线远传超声波水表”。由无线远传表及位于所述表内部的单片机、无线模块、内置天线组成。无线模块与单片机通过串口通信连接;内置天线与无线模块的RF1脚相连。上述技术方案并未对水表计量功能进行优化,无法满足人们对水表计量功能的要求。
发明内容
本发明主要解决原有的水表存在机械误差,发生内部阻塞,并且容易产生磨损的技术问题,提供一种无线远传超声波水表,应用一对超声波换能器相向交替或同时收发超声波,通过检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,集测量、积算、显示、阀门控制、LoRa无线通讯于一体,采用微功耗技术,能耗低,可实现最小流量0.01m3/h的准确测量,同时仪表具有体积小、稳定性好、抗干扰能力强等特点。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:本发明包括外壳,所述外壳内部设有基表和数据模块,所述基表安装在水管上,基表与数据模块相连。基表用于监测超声波时间、流体流动速度等数据,数据模块采集监测数据分析计算得出流量,存储结果并进行无线传递。
作为优选,所述的基表包括进水口和出水口,所述进水口和出水口之间的管道内设有超声波换能器,所述外壳上表面设有显示器,显示器旁设有电池,所述数据模块与超声波换能器、显示器相连。超声波换能器用于监测超声波时间,显示器用于显示数据。
作为优选,所述的数据模块包括LoRa模块和分别与LoRa模块相连的计量模块、显示模块、GPS模块和告警模块,所述计量模块与超声波换能器相连,所述显示模块与显示屏相连。首先超声波换能器将监测超声波时间等数据传递到计量模块,实现流量的分析和计算,将流量结果在显示屏上显示出来,若出现异常,则告警模块进行报警,同时LoRa模块将流量结果和GPS模块的定位数据进行无线传递,发送到用户终端以及自来水运营公司,用户通过终端实现远程检测和控制,自来水运营公司通过数据汇总实现水流调控及优化。
作为优选,所述的LoRa模块包括芯片100GEA,所述芯片100GEA的引脚8与第二芯片的引脚11相连,芯片100GEA的引脚13与第二芯片的引脚2相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚17与第二芯片的引脚3相连,芯片100GEA的引脚18与第二芯片的引脚4相连,芯片100GEA的引脚19与第二芯片的引脚5相连,芯片100GEA的引脚20与第二芯片的引脚6相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚16经过电阻R4与电源端相连,芯片100GEA的引脚34和引脚36并联后经过电阻R3与电源端相连,芯片100GEA的引脚41和引脚42接在XT1两端,XT1的P3端接地,芯片100GEA的引脚41同时经过电容C2接地,芯片100GEA的引脚42同时经过电容C4接地,芯片100GEA的引脚46经过电容C6接地,芯片100GEA的引脚47与引脚48接于电容C10两端,同时芯片100GEA的引脚47,芯片100GEA的引脚48与电源端相连。
作为优选,所述的第二芯片为LSD4RF-2F717N30,第二芯片的引脚7接地,第二芯片的引脚8与电源端相连,第二芯片的引脚13与ANT的引脚2相连,第二芯片的引脚14经过电阻R15与ANT的引脚1相连,同时第二芯片的引脚13和引脚14分别接于电容C13、电容C12两端。
作为优选,所述的超声波换能器包括顺流换能器和逆流换能器,所述顺流换能器靠近进水口,所述逆流换能器靠近出水口。
作为优选,所述的显示屏下方设有磁感应键,所述磁感应键下方设有光电接口。用户通过磁棒在磁感应键上进行操作,实现显示屏数据切换。
作为优选,所述的外壳(1)侧面设有水流方向指示箭头。用于测试水流的方向,避免水表安装错误导致水流结果出错。
本发明的有益效果是:
1.该仪表集测量、积算、显示、阀门控制、LoRa无线通讯于一体,采用微功耗技术,一节电池可使用8年以上,可实现最小流量0.01m3/h的准确测量,同时仪表具有体积小、稳定性好、抗干扰能力强等特点。
2.采用了超声测流技术,可实现多角度安装,仪表测量不受影响,同时使管道压力损失降到最低。
3.通过LoRa无线远程控制阀门开关,以实现用户对用水的远程控制。
4.同时进行数据传输,构成无线监测系统,当管网运行异常时,主动上报管网运行异常的信息,实现水表的监测及优化。
附图说明
图1是本发明的一种侧视结构框图。
图2是本发明的一种俯视结构框图。
图3是本发明的一种计量原理图。
图4是本发明的一种显示屏数据循环显示图。
图5是本发明的一种用户界面指示信息说明图。
图6是本发明的一种LoRa模块原理图。
图中1外壳,2进水口,3出水口,4显示屏,5水流方向指示箭头,6电池,7顺流换能器,8逆流换能器。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:本实施例的一种无线远传超声波水表,如图1和图2所示,包括外壳1,外壳1内部设有基表和数据模块,基表安装在水管上,基表与数据模块相连。基表用于监测超声波时间、流体流动速度等数据,数据模块采集监测数据分析计算得出流量,存储结果并进行无线传递。外壳1侧面设有水流方向指示箭头5,用于测试水流的方向,避免水表安装错误导致水流结果出错。
基表包括进水口2和出水口3,所述进水口2和出水口3之间的管道内设有超声波换能器,所述外壳1上表面设有显示器5,数据模块与超声波换能器、显示器相连。超声波换能器用于监测超声波时间,显示器用于显示数据。显示器5旁设有电池6显示屏5下方设有磁感应键,所述磁感应键下方设有光电接口。用户通过磁棒在磁感应键上进行操作,实现显示屏数据切换,显示屏显示数据如图4、图5所示。
如图3所示,超声波换能器包括顺流换能器7和逆流换能器8,所述顺流换能器7靠近进水口2,所述逆流换能器8靠近出水口3。
顺流换能器7和逆流换能器8分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为T上游,逆流时间为T下游,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ,流体的流动速度为V。由于流体流动的原因,是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短,其时间差可用下式表示:
Figure BDA0002876226830000051
Figure BDA0002876226830000052
其中C为声音在水中传播的速度。
顺流时间和逆流时间的时间差为:
Figure BDA0002876226830000053
为了简化计算,可以假设流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常微小的,那么将上式简化为:
Figure BDA0002876226830000061
从而得到流体的速度与传播时间差的一个线性公式为:
Figure BDA0002876226830000062
需要特别强调的一点是V是流体沿着管道中心线的线速度,考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布情况,还需要加一个流速分布修正系数K。那么瞬时流量的公式为:
Figure BDA0002876226830000063
求得流过超声波水表的瞬时流量和流量。
数据模块包括LoRa模块和分别与LoRa模块相连的计量模块、显示模块、GPS模块和告警模块,所述计量模块与超声波换能器相连,所述显示模块与显示屏相连。
如图6所示,LoRa模块包括芯片100GEA,所述芯片100GEA的引脚8与第二芯片的引脚11相连,芯片100GEA的引脚13与第二芯片的引脚2相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚17与第二芯片的引脚3相连,芯片100GEA的引脚18与第二芯片的引脚4相连,芯片100GEA的引脚19与第二芯片的引脚5相连,芯片100GEA的引脚20与第二芯片的引脚6相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚16经过电阻R4与电源端相连,芯片100GEA的引脚34和引脚36并联后经过电阻R3与电源端相连,芯片100GEA的引脚41和引脚42接在XT1两端,XT1的P3端接地,芯片100GEA的引脚41同时经过电容C2接地,芯片100GEA的引脚42同时经过电容C4接地,芯片100GEA的引脚46经过电容C6接地,芯片100GEA的引脚47与引脚48接于电容C10两端,同时芯片100GEA的引脚47,芯片100GEA的引脚48与电源端相连。
第二芯片为LSD4RF-2F717N30,第二芯片的引脚7接地,第二芯片的引脚8与电源端相连,第二芯片的引脚13与ANT的引脚2相连,第二芯片的引脚14经过电阻R15与ANT的引脚1相连,同时第二芯片的引脚13和引脚14分别接于电容C13、电容C12两端。
在3.6V锂电池供电时,确保静态电流小于10uA,在静态下:液晶处于正常显示状态,实时时钟处于正常工作状态,通讯、红外通讯处于接收等待状态,计量芯片处于工作等待状态。
测量流量时,计量芯片及外围电路处于工作状态,最大电流690uA,工作时间大约25ms,平均电流大约17uA/s。流量测量分三种情况:
a、通常工作状态:每间隔1秒测一次流量,平均到每秒电流大约2.2uA/s。
b、检定工作状态:每间隔0.25秒测一次流量,平均到每秒电流大35uA/s,此工作时间大约一到两小时。
c、管道没水:每间隔1分钟测量一次,平均到每秒电流大约0.15uA/s。
进行LoRa通讯:
a、每天定时向数据服务平台自动上报数据,通讯持续时间大约3s,最大电流150mA网络连接,24s,最大电流15mA数据传送。
其他外设的工作电流消耗情况因为工作时间短,工作间隔长,工作电流小就不再作详细分析。
工作时,首先超声波换能器采集数据,将监测超声波时间等数据传递到计量模块,实现流量的分析和计算,将流量结果在显示屏上显示出来,若出现异常,则告警模块进行报警,同时LoRa模块将流量结果和GPS模块的定位数据进行无线传递,发送到用户终端以及自来水运营公司,用户通过终端实现远程检测和控制,自来水运营公司通过数据汇总实现水流调控及优化。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了超声波换能器、数据模块等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种无线远传超声波水表,包括外壳(1),其特征在于,所述外壳(1)内部设有基表和数据模块,所述基表安装在水管上,基表与数据模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述基表包括进水口(2)和出水口(3),所述进水口(2)和出水口(3)之间的管道内设有超声波换能器,所述外壳(1)上表面设有显示器(5),显示器(5)旁设有电池(6),所述数据模块与超声波换能器、显示器相连。
3.根据权利要求2所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述数据模块包括LoRa模块和分别与LoRa模块相连的计量模块、显示模块、GPS模块和告警模块,所述计量模块与超声波换能器相连,所述显示模块与显示屏相连。
4.根据权利要求3所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述LoRa模块包括芯片100GEA,所述芯片100GEA的引脚8与第二芯片的引脚11相连,芯片100GEA的引脚13与第二芯片的引脚2相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚17与第二芯片的引脚3相连,芯片100GEA的引脚18与第二芯片的引脚4相连,芯片100GEA的引脚19与第二芯片的引脚5相连,芯片100GEA的引脚20与第二芯片的引脚6相连,芯片100GEA的引脚14与第二芯片的引脚1相连,芯片100GEA的引脚16经过电阻R4与电源端相连,芯片100GEA的引脚34和引脚36并联后经过电阻R3与电源端相连,芯片100GEA的引脚41和引脚42接在XT1两端,XT1的P3端接地,芯片100GEA的引脚41同时经过电容C2接地,芯片100GEA的引脚42同时经过电容C4接地,芯片100GEA的引脚46经过电容C6接地,芯片100GEA的引脚47与引脚48接于电容C10两端,同时芯片100GEA的引脚47,芯片100GEA的引脚48与电源端相连。
5.根据权利要求4所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述第二芯片为LSD4RF-2F717N30,第二芯片的引脚7接地,第二芯片的引脚8与电源端相连,第二芯片的引脚13与ANT的引脚2相连,第二芯片的引脚14经过电阻R15与ANT的引脚1相连,同时第二芯片的引脚13和引脚14分别接于电容C13、电容C12两端。
6.根据权利要求2所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述超声波换能器包括顺流换能器(7)和逆流换能器(8),所述顺流换能器(7)靠近进水口(2),所述逆流换能器(8)靠近出水口(3)。
7.根据权利要求2所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述显示屏(5)下方设有磁感应键,所述磁感应键下方设有光电接口。
8.根据权利要求1所述的一种无线远传超声波水表,其特征在于,所述外壳(1)侧面设有水流方向指示箭头(5)。
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