CN115112190A - 用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法，包括：可调放大模块、幅值检测模块和阈值比较模块；可调放大模块，用于根据幅值检测模块发送的增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至幅值检测模块或阈值比较模块；幅值检测模块，用于根据接收到的回波信号和第一幅值确定增益值，发送至可调放大模块；阈值比较模块，用于根据接收到的回波信号和幅值阈值，生成用于确定信号传播时间的回波脉冲信号。幅值检测模块根据接收到的回波信号和第一幅值确定增益值，可调放大模块根据增益值，对接收到的回波信号进行对应的增益，发送至阈值比较模块，能够在超声信号的幅值发生变化时，对应地调整增益，提高测量的精度和可靠性。

Description

用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法

技术领域

本申请涉及超声波测量技术领域，尤其涉及一种用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法。

背景技术

近年来，超声波流量计量产品增长迅猛，超声水表等计量仪表主要是通过测量超声波在流体中的顺流传播时间和逆流传播时间进而计算出流体的流速。因此超声波传播时间测量的准确性是影响超声水表计量准确度的重要因素。然而在实际的使用过程中，超声波信号易受温度压力、表面结垢等因素的影响，使最终接收到的超声波的回波信号的幅值发生变化，严重影响测量的精度和可靠性。

综上所述，需要提供一种能够提升获取到的回波信号的精度且可靠性强的用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法。

发明内容

为解决以上问题，本申请提出了一种用于超声波计量仪表的回波获取、流量测量系统和方法。

第一方面，本申请提出了一种用于超声波计量仪表的回波获取系统，包括：可调放大模块、幅值检测模块和阈值比较模块；

所述可调放大模块，用于根据所述幅值检测模块发送的增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至所述幅值检测模块或阈值比较模块；

所述幅值检测模块，用于根据接收到的所述回波信号和第一幅值确定增益值，发送至所述可调放大模块；

所述阈值比较模块，用于根据接收到的所述回波信号和幅值阈值，生成用于确定信号传播时间的回波脉冲信号。

优选地，还包括：时间测量模块；

所述时间测量模块与所述阈值比较模块连接，接收所述阈值比较模块生成的所述回波脉冲信号，根据所述回波脉冲信号，确定信号传播时间。

优选地，还包括固定放大模块；

所述固定放大模块与所述可调放大模块连接；所述固定放大模块用于对接收到的所述回波信号根据固定的增益进行放大，发送至所述可调放大模块。

优选地，还包括：滤波模块；

所述滤波模块与所述固定放大模块连接；所述滤波模块用于对接收到的所述回波信号进行滤波，发送至所述固定放大模块。

优选地，还包括：脉冲发射模块和多个超声换能器；

所述脉冲发射模块与多个所述超声换能器连接，所述脉冲发射模块用于向所述超声换能器发射与所述超声换能器的谐振频率相匹配的激励脉冲；

所述超声换能器与所述滤波模块连接，所述超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，并将接收到的超声波转化为回波信号，发送至所述滤波模块。

优选地，多个所述超声换能器，包括：上游超声换能器和下游超声换能器；

所述上游超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出；接收所述下游超声换能器发出的超声波，转化为第一回波信号；

所述下游超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，接收所述上游超声换能器发出的超声波，转化为第二回波信号

第二方面，本申请提出了一种用于超声波计量仪表的流量测量系统，包括：主控模块和上述的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统。

第三方面，本申请提出了一种的用于超声波计量仪表的回波获取方法，包括：

可调放大模块根据幅值检测模块发送的初始增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至所述幅值检测模块；

幅值检测模块根据接收到的所述回波信号和第一幅值确定第二增益值，发送至所述可调放大模块；

所述可调放大模块根据所述第二增益值，对再次接收到的回波信号进行增益，发送至所述阈值比较模块；

所述阈值比较模块，用于根据接收到的所述回波信号和幅值阈值，生成回波脉冲信号。

优选地，当所述接收到的回波信号包括上游接收到的，则所述回波脉冲信号包括上游的，所述信号传播时间包括顺流；

当所述接收到的回波信号包括下游接收到的，则所述回波脉冲信号包括下游的，所述信号传播时间包括逆流。

第四方面，本申请提出了一种的用于超声波计量仪表的流量测量方法，包括：上述的一种用于超声波计量仪表的回波获取方法，在所述步骤5之后，还包括：

时间测量模块根据回波脉冲信号，确定信号传播时间；

主控模块根据所述信号传播时间确定流体的流速和流量。

本申请的优点在于：通过幅值检测模块根据接收到的回波信号和第一幅值确定增益值，可调放大模块根据增益值，对接收到的回波信号进行对应的增益，发送至阈值比较模块，能够在超声信号的幅值发生变化时，对应地调整增益，提高测量的精度和可靠性，从而避免由于固定增益而导致的当超声信号的幅值发生变化时由于无法检测到正确的信号而致使计量失败。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的示意图；

图2是本申请提供的另一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的示意图；

图3是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的超声换能器的示意图

图4是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的可调放大模块的连接示意图；

图5是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的阈值比较模块的连接示意图；

图6是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的固定放大模块的连接示意图；

图7是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统的滤波模块的连接示意图；

图8是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的流量测量系统的示意图；

图9是本申请提供的另一种用于超声波计量仪表的回波获取方法的步骤示意图；

图10是本申请提供的一种用于超声波计量仪表的流量测量方法的步骤示意图。

附图标记说明

100可调放大模块 U4第二放大器

200幅值检测模块 U5第三放大器

300阈值比较模块 D1第一二极管

400时间测量模块 R1第一电阻

500固定放大模块 R2第二电阻

600滤波模块 R3第三电阻

610滤波单元 R4第四电阻

700脉冲发射模块 R5第五电阻

800超声换能器 R6第六电阻

810上游超声换能器 R7第七电阻

820下游超声换能器 R8第八电阻

900主控模块 R9第九电阻

U1可调电位器 R10第十电阻

U2第一放大器 C1第一电容

U3比较器 C2第二电容

C3第三电容 C9第九电容

C4第四电容 C10第十电容

C5第五电容 C11第十一电容

C6第六电容 VCC电源电压

C7第七电容 GND接地

C8第八电容

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

第一方面，根据本申请的实施方式，提出一种用于超声波计量仪表的回波获取系统，如图1所示，包括：可调放大模块100、幅值检测模块200和阈值比较模块300。可调放大模块100，用于根据幅值检测模块200发送的增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至幅值检测模块200或阈值比较模块300。幅值检测模块200，用于根据接收到的回波信号和第一幅值确定增益值，发送至可调放大模块100。阈值比较模块300，用于根据接收到的回波信号和幅值阈值，生成用于确定信号传播时间的回波脉冲信号。

第一幅值根据实际需要进行设定。增益值G＝第一幅值Vg/回波信号的幅值V。幅值检测模块200将增益值发送至可调放大模块100，若可调放大模块100之前所使用的增益值与幅值检测模块200发送的增益值相同，则可调放大模块100将根据之前的增益值进行放大的回波信号发送至阈值比较模块300；若可调放大模块100之前所使用的增益值与幅值检测模块200发送的增益值不同，则可调放大模块100继续接收新的回波信号，根据新收到的增益值对，对新收到的回波信号进行对应放大，发送至阈值比较模块300。对于用于计算增益值G的回波信号的幅值V，若此回波信号的幅值V为可调放大模块100接收到的回波信号的幅值，则当可调放大模块100之前所使用的增益值与幅值检测模块200发送的增益值不同时，可调放大模块100继续接收新的回波信号，使用新的增益值对接收到的新的回波信号进行增益；若此回波信号的幅值V为可调放大模块100进行增益后输出的回波信号的幅值，则当可调放大模块100之前所使用的增益值与幅值检测模块200发送的增益值不同时，可调放大模块100继续接收新的回波信号，使用新的增益值与旧的增益值相乘后的值，对接收到的新的回波信号进行增益。

阈值比较模块300对接收到的经过可调放大模块100增益后的回波信号的幅值与幅值阈值进行比较，若经过可调放大模块100增益后的回波信号的幅值大于等于幅值阈值，则生成回波脉冲信号，其中，回波脉冲信号为方波信号。幅值阈值为预设的固定值。

如图2所示，本申请的实施方式还包括：时间测量模块400。时间测量模块400与阈值比较模块300连接，接收阈值比较模块300生成的回波脉冲信号，根据回波脉冲信号，确定信号传播时间，其中信号传播时间中的信号发送时间已知。由于回波脉冲信号中有多个回波脉冲，优选地，选择第四、五、六个回波脉冲的到达时间计算平均值，作为最终的传播时间。

如图2所示，本申请的实施方式还包括固定放大模块500。固定放大模块500与可调放大模块100连接；固定放大模块500用于对接收到的回波信号根据固定的增益进行放大，发送至可调放大模块100。

如图2所示，本申请的实施方式还包括：滤波模块600。滤波模块与固定放大模块500连接；滤波模块用于对接收到的回波信号进行滤波，发送至固定放大模块500。

如图2所示，本申请的实施方式还包括：脉冲发射模块700和多个超声换能器800。脉冲发射模块700与多个超声换能器800连接，脉冲发射模块700用于向超声换能器800发射与超声换能器800的谐振频率相匹配的激励脉冲。超声换能器800与滤波模块连接，超声换能器800用于根据脉冲发射模块700发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，并将接收到的超声波转化为回波信号，发送至滤波模块。

如图3所示，多个超声换能器800，包括：上游超声换能器810和下游超声换能器820。上游超声换能器810用于根据脉冲发射模块700发送的激励脉冲生成超声波信号并发出；接收下游超声换能器820发出的超声波，转化为第一回波信号。下游超声换能器820用于根据脉冲发射模块700发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，接收上游超声换能器810发出的超声波，转化为第二回波信号。超声波信号从上游换能器发出，到达下游换能器的时间为顺流传播时间，反之，超声波信号从下游换能器发出，到达上游换能器的时间为逆流传播时间。本申请的实施方式至少需要一对(两个)超声换能器800，一个布置在管道上游，作为上游超声换能器810，一个布置在管道下游，作为下游超声换能器820，分别激励两个换能器并在对向的换能器接收回波信号，测量激励到接收的时间即可得到顺流传播时间和逆流传播时间。

如图4所示，可调放大模块100包括：第一二极管D1、可调电位器U1和第一放大器U2。可调电位器U1与第一放大器U2的输入端连接，第一放大器U2的输出端与阈值比较模块300以及第一二极管D1的阳极连接。第一二极管D1的阴极与幅值检测模块200连接。可调放大模块100还包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。第一电阻R1的一端与第一电容C1的一端连接，第一电阻R1的另一端与可调电位器U1的LA引脚(引脚13)连接。第二电阻R2的一端与第一放大器U2的输出端以及以及第一二极管D1的阳极连接，第二电阻R2的另一端与第一放大器U2的反相输入端(-In端)以及可调电位器U1的WA引脚(引脚14)连接。第三电阻R3的一端、第三电容C3的一端和第一二极管D1的阴极均与幅值检测模块200连接。第二电容C2的一端与第一放大器U2的正电源输入端(V+端)以及电源电压VCC连接，第二电容C2的另一端接地GND。第一放大器U2的正向输入端输入电压AVCC，负电压输入端(-V端)接地GND。第一电容C1的另一端与固定放大模块500连接。第三电容C3的另一端接地GND。

如图5所示，阈值比较模块300包括：比较器U3。比较器U3的第一输入端通过电容与第一放大器U2的输出端连接，比较器U3的第二输入端输入幅值阈值，比较器U3的输出端与时间测量模块400连接。阈值比较模块300还包括：第四电容C4、第五电容C5和第四电阻R4。第四电容C4的一端与第一放大器U2的输出端连接，第四电容C4的另一端与比较器U3的正相输入端(IN+)连接。比较器U3的VCC引脚(引脚1)、LE端(引脚5)和第五电容C5的一端均与电源电压VCC连接，第五电容C5的另一端接地GND。比较器U3的输出引脚(引脚7)和第四电阻R4的一端均与时间测量模块400连接，第四电阻R4的另一端和比较器U3的GND引脚(引脚4)均接地GND。

如图6所示，固定放大模块500包括第二放大器U4。第二放大器U4的输出端与可调放大模块100连接。固定放大模块500还包括：第五电阻R5、第六电阻R6和第六电容C6。第二放大器U4的反相输入端(-In端)与第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接，正电源输入端(V+端)与第六电容C6的一端均与电源电压VCC连接。第二放大器U4的输出端与第六电阻R6的另一端以及第一电容C1的另一端连接。第二放大器U4的正向输入端输入电压AVCC，负电压输入端(-V端)接地GND。第六电容C6的另一端接地GND。第五电阻R5的另一端与滤波模块600连接。

如图7所示，滤波模块600包括：滤波单元610和第三放大器U5。滤波单元610的一端与第三放大器U5的输入端连接，滤波单元610的另一端与超声换能器连接。第三放大器U5的输出端与固定放大模块500连接。滤波模块600还包括：第七电容C7、第八电容C8和第七电阻R7。第三放大器U5的正向输入端输入电压AVCC，负电压输入端(-V端)接地GND。第三放大器U5的正电源输入端(V+端)与第八电容C8的一端均与电源电压VCC连接。第三放大器U5的输出端与第七电容C7的一端、第七电阻R7的一端以及滤波单元610连接。第三放大器U5的反相输入端(-In端)与第七电阻R7的另一端以及滤波单元610连接。

滤波单元610包括：第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第九电容C9、第十电容C10和第十一电容C11。第八电阻R8的一端与第九电容C9的一端均与超声换能器800连接，第九电容C9的另一端与第九电阻R9连接。第九电阻R9的另一端与第十电阻R10的一端、第十电容C10的一端以及第十一电容C11的一端连接。第十电容C10的另一端与第三放大器U5的输出端连接，第十一电容C11的另一端与第三放大器U5的反相输入端(-In端)连接。第八电阻R8的另一端和第十电阻R10的另一端均接地GND。

第二方面，本申请提出了一种用于超声波计量仪表的流量测量系统，如图8所示，包括：主控模块900和上述的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统。主控模块900包括微控制器；主控模块900用于确定流量。主控模块900与时间测量模块400以及脉冲发射模块700连接，根据测得的上游的超声波信号传播时间和下游的超声波信号传播时间，计算流量。主控模块900还可以通过模数采样，从幅值检测模块200中获取回波信号的幅值，根据增益值调整可调放大模块100的增益。

第三方面，根据本申请的实施方式，提出一种用于超声波计量仪表的回波获取方法，如图9所示，包括：

S101，可调放大模块根据幅值检测模块发送的初始增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至幅值检测模块；

S102，幅值检测模块根据接收到的回波信号和第一幅值确定第二增益值，发送至可调放大模块；

S103，可调放大模块根据第二增益值，对再次接收到的回波信号进行增益，发送至阈值比较模块；

S104，阈值比较模块，用于根据接收到的回波信号和幅值阈值，生成回波脉冲信号。

当接收到的回波信号包括上游接收到的，则回波脉冲信号包括上游的，信号传播时间包括顺流；当接收到的回波信号包括下游接收到的，则回波脉冲信号包括下游的，信号传播时间包括逆流。

下面，对本申请实施例进行进一步说明。

以上游超声换能器810首先发送超声波信号为例。上游超声换能器810发送超声波信号，下游超声换能器820接收到此超声波后，将其转换为第二回波信号。可调放大模块100根据现有的第一增益值对接收到的第二回波信号进行放大后，先发送至幅值检测模块200；幅值检测模块200根据接收到的放大后的第二回波信号和第一幅值确定第二增益值，发送至可调放大模块100。上游超声换能器810再次发送超声波信号，下游超声换能器820接收到此超声波后，将其转换为第二回波信号，再次发送至可调放大模块100。可调放大模块100根据第二增益值对再次接收到的第二回波信号进行放大后，发送至阈值比较模块300。阈值比较模块300根据接收到的回波信号和幅值阈值，生成下游的回波脉冲信号。时间测量模块400根据下游的回波脉冲信号，确定信号传播时间，作为顺流传播时间。

下游超声换能器820发送超声波信号，上游超声换能器810接收到此超声波后，将其转换为第一回波信号。可调放大模块100根据现有的第一增益值对接收到的第一回波信号进行放大后，先发送至幅值检测模块200；幅值检测模块200根据接收到的放大后的第一回波信号和第一幅值确定第二增益值，发送至可调放大模块100。下游超声换能器820再次发送超声波信号，上游超声换能器810接收到此超声波后，将其转换为第一回波信号，再次发送至可调放大模块100。可调放大模块100根据第二增益值对再次接收到的第二回波信号进行放大后，发送至阈值比较模块300。阈值比较模块300根据接收到的回波信号和幅值阈值，生成上游的回波脉冲信号。时间测量模块400根据上游的回波脉冲信号，确定信号传播时间，作为逆流传播时间。

可以通过主控模块900控制脉冲发射模块700，从而使上游超声换能器810或下游超声换能器820发送超声波信号。

最终，主控模块900根据测得的上游的超声波信号传播时间(顺流传播时间)和下游的超声波信号传播时间(逆流传播时间)，计算流量。

第四方面，本申请提出了一种的用于超声波计量仪表的流量测量方法，如图10所示，包括：上述的一种用于超声波计量仪表的回波获取方法，在步骤5之后，还包括：

S201，时间测量模块根据回波脉冲信号，确定信号传播时间；

S202，主控模块，主控模块根据信号传播时间确定流体的流速和流量。

本申请的实施方式中，通过幅值检测模块根据接收到的回波信号和第一幅值确定增益值，可调放大模块根据增益值，对接收到的回波信号进行对应的增益，发送至阈值比较模块。能够在超声信号的幅值发生变化时，对应地调整增益，提高测量的精度和可靠性，从而避免由于固定增益而导致的当超声信号的幅值发生变化时由于无法检测到正确的信号而致使计量失败。由于幅值检测模块和可调放大模块的增益，使得经过可调放大模块的回波信号的幅值会固定在第一幅值Vg附近。由于经过可调放大模块的回波信号的幅值的大小和阈值比较模中的幅值阈值的大小都是固定的，因此能够保证得到的回波脉冲信号稳定可靠，从而保证最终的流量测量的精度。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，包括：可调放大模块、幅值检测模块和阈值比较模块；

所述可调放大模块，用于根据所述幅值检测模块发送的增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至所述幅值检测模块或阈值比较模块；

所述幅值检测模块，用于根据接收到的所述回波信号和第一幅值确定增益值，发送至所述可调放大模块；

所述阈值比较模块，用于根据接收到的所述回波信号和幅值阈值，生成用于确定信号传播时间的回波脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，还包括：时间测量模块；

所述时间测量模块与所述阈值比较模块连接，接收所述阈值比较模块生成的所述回波脉冲信号，根据所述回波脉冲信号，确定信号传播时间。

3.根据权利要求1所述的用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，还包括固定放大模块；

所述固定放大模块与所述可调放大模块连接；所述固定放大模块用于对接收到的所述回波信号根据固定的增益进行放大，发送至所述可调放大模块。

4.根据权利要求3所述的用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，还包括：滤波模块；

所述滤波模块与所述固定放大模块连接；所述滤波模块用于对接收到的所述回波信号进行滤波，发送至所述固定放大模块。

5.根据权利要求4所述的用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，还包括：脉冲发射模块和多个超声换能器；

所述脉冲发射模块与多个所述超声换能器连接，所述脉冲发射模块用于向所述超声换能器发射与所述超声换能器的谐振频率相匹配的激励脉冲；

所述超声换能器与所述滤波模块连接，所述超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，并将接收到的超声波转化为回波信号，发送至所述滤波模块。

6.根据权利要求5所述的用于超声波计量仪表的回波获取系统，其特征在于，多个所述超声换能器，包括：上游超声换能器和下游超声换能器；

所述上游超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出；接收所述下游超声换能器发出的超声波，转化为第一回波信号；

所述下游超声换能器用于根据所述脉冲发射模块发送的激励脉冲生成超声波信号并发出，接收所述上游超声换能器发出的超声波，转化为第二回波信号。

7.一种用于超声波计量仪表的流量测量系统，其特征在于，包括：主控模块和根据权利要求1至6中任一项所述的一种用于超声波计量仪表的回波获取系统。

8.一种的用于超声波计量仪表的回波获取方法，其特征在于，包括：

可调放大模块根据幅值检测模块发送的初始增益值，对接收到的回波信号进行增益，发送至所述幅值检测模块；

幅值检测模块根据接收到的所述回波信号和第一幅值确定第二增益值，发送至所述可调放大模块；

所述可调放大模块根据所述第二增益值，对再次接收到的回波信号进行增益，发送至所述阈值比较模块；

所述阈值比较模块，用于根据接收到的所述回波信号和幅值阈值，生成回波脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的用于超声波计量仪表的回波获取方法，其特征在于，

当所述接收到的回波信号包括上游接收到的，则所述回波脉冲信号包括上游的，所述信号传播时间包括顺流；

当所述接收到的回波信号包括下游接收到的，则所述回波脉冲信号包括下游的，所述信号传播时间包括逆流。

10.一种用于超声波计量仪表的流量测量方法，其特征在于，包括：根据权利要求8或9中任一项所述的一种用于超声波计量仪表的回波获取方法，在所述步骤5，之后，还包括：

时间测量模块根据回波脉冲信号，确定信号传播时间；

主控模块根据所述信号传播时间确定流体的流速和流量。

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