CN112903043A - 一种多声道超声波流量计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多声道超声波流量计系统，涉及超声波流量计技术领域，包括设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，以及通过声道切换器连接所述超声波换能器组中的超声波换能器的检测单元；所述检测单元包括用于控制所述声道切换器切换动作的微控制器MCU，所述微控制器MCU连接有超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路，所述超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路之间连通，且超声波感测模拟前端电路与所述声道切换器输出端相连，一种采用超声波换能器分组、分布式布局方法，的构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量多声道超声波流量计系统。
Description
技术领域
本发明涉及超声波流量计技术领域，确切地说涉及一种多声道超声波流量计系统。
背景技术
超声波流量计是一种非接触式仪表，既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表，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；超声流量计和电磁流量计一样，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，超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
超声波流量计的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题，但是，现今的超声波流量计技术方案中所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂，因为一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速（流量）变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级；若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。因此，现在亟需一种新的技术方案用于解决单声道超声波流量计对流态分布变化适应性差、测量精度不易控制的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足、克服现有技术的缺点，提供一种采用超声波换能器分组、分布式布局方法，的构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量多声道超声波流量计系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：包括设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，以及通过声道切换器连接所述超声波换能器组中的超声波换能器的检测单元；所述检测单元包括用于控制所述声道切换器切换动作的微控制器MCU，所述微控制器MCU连接有超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路，所述超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路之间连通，且超声波感测模拟前端电路与所述声道切换器输出端相连。
所述超声波感测模拟前端电路用于发出脉冲信号，通过超声波换能器组在超声波发射端的换能器发送超声波信号，并把发出的超声波信号传输给所述时间数字转换电路使时间数字转换电路开始计时；超声波换能器组在超声波接收端的换能器接收到超声波信号后，所述超声波感测模拟前端电路对超声波信号进信处理、并判断收到超声波信号的真实性，确定是有接收到超声波信号后给所述时间数字转换电路一个停止信号使时间数字转换电路停止计时，时间数字转换电路通过开始计时和停止计时的超声波信号计算出计时时长，并把计时时长转换成数字信号传给MCU。
所述设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，每组包括两个相互间距离误差不超过±1mm的超声波换能器。
所述声道切换器包括用于切换连接所述若干组超声波换能器组的切换电路，切换电路通过每次切换对应连接一组每组超声波换能器连接的方式实现对不同组超声波换能器信号的接收。
所述切换电路包括数量对应所述超声波换能器分组数量的电路，每组电路与其对应的超声波换能器组直接通过继电器实现通断，每一组电路均包括由电阻R1、电阻R2、二极管D1和三极管Q1 组成对所述继电器的继电器驱动电路，继电器驱动电路三极管Q1的 集电极和电源之间连接继电器的线圈，即继电器线圈作为集电极负载，当三极管Q1 控制脚输入为低电平时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，此时继电器处于关闭状态；相反，当三极管Q1 控制脚输入为低电平时 ，三极管饱和导通，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合状态，此时一组换能器就接通了；继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流（即驱动）。
还包括用于控制所述三极管Q1引脚高低电平来实现继电器通断的单片机。单片机通过控制三极管引脚（T1_CON）的高低电平来实现继电器通断功能。在实现应用中单片机同进控制若干组这样的电路，同一时刻通过控制继电器通断的方式只接通一组超声波换能器，使用这组换能器完成信号的收发功能。若干次的切换控制则可得出若干组超声波绝对飞行时间，能过软件算法可得到更准确的数据。
所述超声波感测模拟前端电路中集成了超声波脉冲发生器和超声波接收信号放大器，起到过零、过阈值检测的功能，产生为时间数字转换电路提供开始和停止信号。
所述时间数字转换电路用于接收所述超声波感测模拟前端电路发出的信号，接收到开始信号开始计时、接收到停止信号停止计时；时间数字转换电路把接受到开始信号到停止信号的这段时间转换成对应的数字信息传递给所述微控制器MCU，微控制器MCU根据所述数字信息计算出相应的时间信息。
所述微控制器MCU根据被检测管道中超声波顺流方向传播的时间和逆流方向的传播时间差值得出超声波的绝对飞行时间。
相较于现有的技术方案，本发明所提供的这种技术方案，多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
图1为本发明一种优选方案的系统意图；
图2为本发明超声波换能器组一种优选方案的布置示意图；
图3为本发明切换电路一种优选方案的连接示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
作为本发明一种具体实施方案，如图1所示，提供了一种多声道超声波流量计系统，包括设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，以及通过声道切换器连接所述超声波换能器组中的超声波换能器的检测单元；所述检测单元包括用于控制所述声道切换器切换动作的微控制器MCU，所述微控制器MCU连接有超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路，所述超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路之间连通，且超声波感测模拟前端电路与所述声道切换器输出端相连。
其中，所述超声波感测模拟前端电路用于发出脉冲信号，通过超声波换能器组在超声波发射端的换能器发送超声波信号，并把发出的超声波信号传输给所述时间数字转换电路使时间数字转换电路开始计时；超声波换能器组在超声波接收端的换能器接收到超声波信号后，所述超声波感测模拟前端电路对超声波信号进信处理、并判断收到超声波信号的真实性，确定是有接收到超声波信号后给所述时间数字转换电路一个停止信号使时间数字转换电路停止计时，时间数字转换电路通过开始计时和停止计时的超声波信号计算出计时时长，并把计时时长转换成数字信号传给MCU。
优选地，在管道横切面上均匀布置4对超声波换能器。每对换能器之间的距离误差不超过±1MM。换能器平面分布图图2所示，所述设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，每组包括两个相互间距离误差不超过±1mm的超声波换能器。
进一步的，如图3所示，所述声道切换器包括用于切换连接所述若干组超声波换能器组的切换电路，切换电路通过每次切换对应连接一组每组超声波换能器连接的方式实现对不同组超声波换能器信号的接收。所述切换电路包括数量对应所述超声波换能器分组数量的电路，每组电路与其对应的超声波换能器组直接通过继电器实现通断，每一组电路均包括由电阻R1、电阻R2、二极管D1和三极管Q1 组成对所述继电器的继电器驱动电路，继电器驱动电路三极管Q1的 集电极和电源之间连接继电器的线圈，即继电器线圈作为集电极负载，当三极管Q1 控制脚输入为低电平时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，此时继电器处于关闭状态；相反，当三极管Q1 控制脚输入为低电平时 ，三极管饱和导通，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合状态，此时一组换能器就接通了；继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流（即驱动）。还包括用于控制所述三极管Q1引脚高低电平来实现继电器通断的单片机（图未画出）。单片机通过控制三极管引脚（T1_CON）的高低电平来实现继电器通断功能。在实现应用中单片机同进控制若干组这样的电路，同一时刻通过控制继电器通断的方式只接通一组超声波换能器，使用这组换能器完成信号的收发功能。若干次的切换控制则可得出若干组超声波绝对飞行时间，能过软件算法可得到更准确的数据。
而所述超声波感测模拟前端电路中集成了超声波脉冲发生器和超声波接收信号放大器，起到过零、过阈值检测的功能，产生为时间数字转换电路提供开始和停止信号。所述时间数字转换电路用于接收所述超声波感测模拟前端电路发出的信号，接收到开始信号开始计时、接收到停止信号停止计时；时间数字转换电路把接受到开始信号到停止信号的这段时间转换成对应的数字信息传递给所述微控制器MCU，微控制器MCU根据所述数字信息计算出相应的时间信息。所述微控制器MCU根据被检测管道中超声波顺流方向传播的时间和逆流方向的传播时间差值得出超声波的绝对飞行时间
本实施例的技术方案中，控制器MCU控制声道切换电路来选择哪一对换能器工作，这样做可以有效的节省硬件资源并降低成本，不用每一对换能器都设置一路超声波感测模拟前端电路及时间数字转换电路。
超声波感测模拟前端电路集成了超声波脉冲发生器，超声波接收信号放大器，过零、过阈值检测等功能。产生为时间数字转换器提供开始和停止信号。时间数字转换电路，接收到超声波感测模拟前端电路发出的开始信号开始计时，收到停止信号停止计时。时间数字转换电路把开始信号到停止信号这段的时间转换成对应的数字信息传递给MCU，MCU根据所接收到的数字信息计算出相应的时间信息。根据超声波顺流方向传播的时间和逆流方向的传播时间得出超声波的绝对飞行时间。
其中超声波流量计同是具备远程通信（NB-IOT）功能及本地通信功能（RS485），其声道切换电路如图示3，继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动，电阻R1、R2、二极管D1、三极管Q1 组成继电器驱动电路。
继电器线圈作为集电极负载而接到三极管集电极和电源之间。当三极管控制脚（T1_CON）输入为低电平时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，此时继电器处于关闭状态（4-6 13-11脚接通）；相反，当三极管控制脚（T1_CON）输入为低电平时 ，三极管饱和导通，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合状态（4-8 13-9脚接通），此时一组换能器就接通了。
单片机通过控制三极管引脚（T1_CON）的高低电平来实现继电器通断功能。在实现应用中单片机同进控制4组这样的电路，同一时刻通过控制继电器通断的方式只接通一组超声波换能器，使用这组换能器完成信号的收发功能。4次的切换控制则可得出4组超声波绝对飞行时间，能过软件算法可得到更准确的数据。
需要进一步说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
并且尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：包括设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，以及通过声道切换器连接所述超声波换能器组中的超声波换能器的检测单元；所述检测单元包括用于控制所述声道切换器切换动作的微控制器MCU，所述微控制器MCU连接有超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路，所述超声波感测模拟前端电路和时间数字转换电路之间连通，且超声波感测模拟前端电路与所述声道切换器输出端相连。
2.如权利要求1所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述超声波感测模拟前端电路用于发出脉冲信号，通过超声波换能器组在超声波发射端的换能器发送超声波信号，并把发出的超声波信号传输给所述时间数字转换电路使时间数字转换电路开始计时；超声波换能器组在超声波接收端的换能器接收到超声波信号后，所述超声波感测模拟前端电路对超声波信号进信处理、并判断收到超声波信号的真实性，确定是有接收到超声波信号后给所述时间数字转换电路一个停止信号使时间数字转换电路停止计时，时间数字转换电路通过开始计时和停止计时的超声波信号计算出计时时长，并把计时时长转换成数字信号传给MCU。
3.如权利要求1所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述设置在被检测管道中的若干组超声波换能器组，每组包括两个相互间距离误差不超过±1mm的超声波换能器。
4.如权利要求1所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述声道切换器包括用于切换连接所述若干组超声波换能器组的切换电路。
5.如权利要求4所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述切换电路包括数量对应所述超声波换能器分组数量的电路，每组电路与其对应的超声波换能器组直接通过继电器实现通断，每一组电路均包括由电阻R1、电阻R2、二极管D1和三极管Q1 组成对所述继电器的继电器驱动电路，所述继电器驱动电路的三极管Q1的 集电极和电源之间连接继电器的线圈。
6.如权利要求5所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：还包括用于控制所述三极管Q1引脚高低电平来实现继电器通断的单片机。
7.如权利要求1所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述超声波感测模拟前端电路中集成了超声波脉冲发生器和超声波接收信号放大器。
8.如权利要求1或7所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述时间数字转换电路用于接收所述超声波感测模拟前端电路发出的信号，接收到开始信号开始计时、接收到停止信号停止计时；时间数字转换电路把接受到开始信号到停止信号的这段时间转换成对应的数字信息传递给所述微控制器MCU，微控制器MCU根据所述数字信息计算出相应的时间信息。
9.如权利要求8所述的一种多声道超声波流量计系统，其特征在于：所述微控制器MCU根据被检测管道中超声波顺流方向传播的时间和逆流方向的传播时间得出超声波的绝对飞行时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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