CN204228215U - 大口径超声波水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大口径超声波水表，包括单片机、压力测量模块、超声波换能器声道切换模块、超声波收发模块、计时模块、水温测量模块、数据存储模块和双电池供电电源模块；单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块与单片机通信，给超声波收发模块和水温测量模块提供时钟脉冲信号；同时单片机通过超声波换能器声道切换模块，进行超声波流量测量的双声道间的切换；计时模块接收双声道的超声波收发模块和水温测量模块的测量数据，并将数据传至单片机；数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储；双电池供电电源模块为单片机供电；压力测量模块与单片机连接。本实用新型采用双声道超声波计量方式，根据时差法测量的基本原理，完成高精度的测量。

Description

大口径超声波水表

技术领域

本实用新型涉及一种水表，特别涉及一种大口径超声波水表。

背景技术

现在普遍使用的机械式水表的测量部件多采用叶轮结构，对水质的要求高，易造成叶轮轴承的磨损，外界环境变化对测量有较大的影响，故障率高，使用寿命短，因此传统的方法对于过程计量本身就存在较大的难度，而且存在测量误差大，修正因素多等问题，很难完成高精度的测量，而且许多水表功耗很大，无法满足电池长期驱动的要求，限制了水表的应用。此外，众多大口径水表对存储的计量数据、表计参数等重要信息没有分配独立的备份存储芯片，当存储芯片出现异常甚至损坏时，将造成重要数据丢失。不难看出，目前的大口径水表存在着流量计量结果的精度和准确性不高，管段施工和安装不够方便和灵活、功耗比较大和使用寿命短等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种宽量程、高精度、低始动流量、低功耗且能进行管网压力监测的整体式双声道的大口径超声波水表。

本实用新型提供的这种大口径超声波水表，包括单片机、压力测量模块、超声波换能器声道切换模块、超声波收发模块、计时模块、水温测量模块、数据存储模块和双电池供电电源模块；单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块与单片机通信，给超声波收发模块和水温测量模块提供时钟脉冲信号；同时单片机通过超声波换能器声道切换模块，进行超声波流量测量的双声道间的切换；计时模块接收双声道的超声波收发模块和水温测量模块的测量数据，并将数据传至单片机；数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储；双电池供电电源模块为单片机供电；压力测量模块与单片机连接。

所述计时模块通过SPI端口与单片机通信。

所述超声波换能器通道切换模块采用美国TI公司的型号为TS5A23157的超低功耗的模拟开关。

所述数据存储模块包括重要数据大容量存储芯片、备份存储芯片和校表数据存储芯片；重要数据的大容量存储芯片用于储存大口径水表参数、大口径水表存储的重要历史数据、表计事件状态数据，备份存储芯片用于备份大口径水表参数及流量计量数据和掉电数据，校表数据存储芯片用于存储表计流量误差修正、压力测量误差修正数据。

所述双电池供电电源模块包括两节电池和单通道线性稳压器，两节电池分别经过两个二极管正向导通后汇合形成电压一，电压一再与单通道线性稳压器的输入端连接，单通道线性稳压器的输出端输出稳定的3V工作电压。所述电池采用锂亚电池。

所述单片机采用美国TI公司的型号为MSP430F6736的十六位超低功耗单片机芯片。所述计时模块包括德国ACAM公司的型号为TDC_GP22的专用数字时间转换芯片。

本实用新型通过双声道的管段布置方式，采用双声道超声波计量方式，根据时差法测量的基本原理，选用了专用数字时间转换芯片、超低功耗的超声波换能器通道切换的模拟开关芯片以及超低功耗l6位单片机芯片，同时测量管段内水的温度，最终实现了宽量程、高精度、低始动流量、低功耗的系统设计。此外，根据数据类型对数据存储模块进行分类管理，将把不同重要级别的数据分别存储在不同的芯片之中，同时为大口径超声波水表参数及流量、压力计量等重要数据添加备份芯片，有效降低数据因存储器损坏而丢失的几率；增加重要数据备份的存储芯片能有效提高数据保存的可靠性，从而具备自恢复功能。同时通过采用大容量的存储芯片，存储更多的大口径超声波水表的历史数据，用于满足大口径超声波水表的多种数据的采集、统计的需求以及数据通信和智能化管理的需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的双声道流量计量电路图。

图3是本实用新型的数据存储模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括单片机、LCD显示模块、压力测量模块、超声波换能器声道切换模块、超声波收发模块、计时模块、用于在各种水温下的声速补偿的水温测量模块、数据存储模块、双电池供电电源模块、输入输出模块、键盘输入模块和串口通讯模块。超声波换能器声道切换模块的输入端与单片机连接，其输出端与超声波收发模块的输入端连接，超声波收发模块的另一输入端与单片机连接，其输出端与计时模块连接，计时模块还与单片机连接，水温测量模块的输入端与单片机连接，其输出端与计时模块连接；压力测量模块与单片机的AD端口连接。

单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块通过SPI端口与单片机通信，给超声波收发模块和水温测量模块提供时钟脉冲信号；同时单片机通过超声波换能器声道切换模块，进行超声波流量测量的双声道间的切换。计时模块接收双声道的超声波收发模块和水温测量模块的测量数据，并将数据传至单片机。数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。双电池供电电源模块为单片机供电。

单片机通过A/D引脚接收压力测量模块采集的管网压力模拟信号，通过自带的高精度ADC12模数转换器转换成压力数字测量数据，数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。

本实用新型的单片机采用美国TI公司的十六位超低功耗单片机芯片，其型号为MSP430F6736；其内嵌硬件乘法器，可以实现复杂的滤波及补偿算法，计算精度高，内嵌的高精度ADC12模数转换器可以保证压力测量误差的高精度，内嵌的液晶控制器可以驱动液晶屏，可以满足系统的低功耗设计要求。

本实用新型计量核心部分为双声道流量的测量，流量的测量采用超声波时差法方式：应用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，再通过流速计算流量。由此可见，本实用新型计量的关键为时间的测量。本实用新型计量芯片采用德国ACAM公司的专用数字时间转换芯片，其型号为TDC_GP22。该款计量芯片通过SPI端口与单片机通信，通过采用利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到22ps的精度，保证计量的高精度和高准确性。

如图2所示，本实用新型的双声道超声波流量计量模块包括超声波换能器声道切换模块、超声波收发模块、计时模块、用于在各种水温下的声速补偿的水温测量模块。计时模块可采用计时芯片U1、超声波换能器声道切换模块可采用模拟开关D12。本实用新型还包括两对换能器P11和P12，P13和P14，与计时芯片U1连接的4MHZ的陶瓷晶振XL2。

双声道超声波流量计量主要是在单声道超声波流量计量的基础上，增加了一个模拟开关D12，进行声道的切换。单声道超声波计量只有一对换能器而双声道的测量有两对换能器。

单声道超声波流量计量的工作原理：单片机控制计时芯片U1的脉冲发生器产生脉冲，激励其中该声道的一个换能器产生超声波信号，该换能器则作为发射换能器，另一个未被激励的换能器则作为接收换能器，同时该脉冲发生器产生一个START信号，计时芯片U1内部的计时单元开始计时。计时开始，发射换能器产生的超声波经过管道中的液体传播到对面，经过一个时间间隔后，对面的接收换能器接收到超声波信号，产生一个响应电信号，即接收信号，然后计时芯片U1对其进行过零检测以确定信号到达的时刻，同时该计时芯片产生一个较稳定的STOP信号。STOP信号让计时芯片U1的计时单元停止计时，至此计时完成。单片机从计时芯片U1的寄存器中读取超声信号在该方向声程中的传播时间，接着切换两个换能器的收发功能，同样的处理可得到另一方向声程中的传播时间，再由单片机进行数据处理，即可得到流量值。

模拟开关D12的两组信号端（信号端FIRE1A和信号端FIRE1B，信号端FIRE2A和信号端FIRE2B）分别接至具有发射和接收功能的两对换能器，该模拟开关的输出则根据指令选择其中一组信号传至计时芯片U1。

晶振XL2为一个4M的陶瓷晶振，计时芯片U1的引脚CLK32由单片机提供了一个32.768Khz的低频信号，其中晶振XL2作为计时芯片U1内部的高速时钟，由于该晶振本身误差较大，且具有明显的温漂，故由单片机发送的32.768Khz的低频信号用来对该晶振进行校准。

图2中，引脚FIRE_UP和引脚FIRE_DOWN为计时芯片U1的输出引脚。首先，由于计时芯片U1内嵌脉冲发生器，单片机通过对其初始化以及对其内部寄存器进行设置，同时对其发送启动脉冲发送器命令Start_Cycle。计时芯片U1产生频率为1MHz、脉冲个数为15个的脉冲序列。此脉冲信号由引脚FIRE_UP和引脚FIRE_DOWN输出。计时芯片U1通过其内部的检测，确认信号是否传至分别与该芯片相连的两个换能器。如果计时芯片U1确认该脉冲信号已达到这两个换能器，则产生稳定的STOP信号，由引脚STOP_UP和引脚STOP_DOWN输出，分别传至两个换能器，让其停止检测。之后，该计时芯片U1对其计时数据进行计算，完成计算后产生中断，发至单片机。单片机接收该计时芯片U1的中断信号INTGP21后，读取该计时芯片U1的内部寄存器，得到相应的时间数据。

双声道超声波流量计量的过程如下：单片机控制模拟开关D12，选择声道1，关闭声道2，声道1的换能器P14的信号端FIRE1A与该模拟开关D12的FIREA导通， 声道1的换能器P13的信号端FIRE1B与该模拟开关D12的FIREB导通，启动该声道的流量测量，根据单声道的计量工作原理，获取声道1的流量数据。再次控制模拟开关D12，选择声道2，关闭声道1，声道2的换能器P12的信号端FIRE2A与该模拟开关D12的FIREA导通，声道2的换能器P11的信号端FIRE2B与该模拟开关D12的FIREB导通，启动声道2的流量测量，根据单声道的计量工作原理，获取声道2的流量数据，然后通过2个声道的布置方式运用加权积分方法计算出大口径超声波水表的流量值。

如图3所示，本实用新型的数据存储模块包括3块EEPROM类型的存储芯片：分别是重要数据大容量存储芯片D8、备份存储芯片D9和校表数据存储芯片D6。重要数据的大容量存储芯片D8用于储存大口径水表参数、大口径水表存储的重要历史数据、表计事件状态数据。备份存储芯片D9用于备份大口径水表参数及流量计量数据和掉电数据，校表数据存储芯片D6用于存储表计流量误差修正、压力测量误差修正数据。

Claims (8)

1.一种大口径超声波水表，包括单片机和压力测量模块，其特征在于，该水表还包括超声波换能器声道切换模块、超声波收发模块、计时模块、水温测量模块、数据存储模块和双电池供电电源模块；单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块与单片机通信，给超声波收发模块和水温测量模块提供时钟脉冲信号；同时单片机通过超声波换能器声道切换模块，进行超声波流量测量的双声道间的切换；计时模块接收双声道的超声波收发模块和水温测量模块的测量数据，并将数据传至单片机；数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储；双电池供电电源模块为单片机供电；压力测量模块与单片机连接。

2.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述计时模块通过SPI端口与单片机通信。

3.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述超声波换能器通道切换模块采用美国TI公司的型号为TS5A23157的超低功耗的模拟开关。

4.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述数据存储模块包括重要数据大容量存储芯片、备份存储芯片和校表数据存储芯片；重要数据的大容量存储芯片用于储存大口径水表参数、大口径水表存储的重要历史数据、表计事件状态数据，备份存储芯片用于备份大口径水表参数及流量计量数据和掉电数据，校表数据存储芯片用于存储表计流量误差修正、压力测量误差修正数据。

5.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述双电池供电电源模块包括两节电池和单通道线性稳压器，两节电池分别经过两个二极管正向导通后汇合形成电压一，电压一再与单通道线性稳压器的输入端连接，单通道线性稳压器的输出端输出稳定的3V工作电压。

6.根据权利要求5所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述电池采用锂亚电池。

7.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述单片机采用美国TI公司的型号为MSP430F6736的十六位超低功耗单片机芯片。

8.根据权利要求1所述的大口径超声波水表，其特征在于，所述计时模块包括德国ACAM公司的型号为TDC_GP22的专用数字时间转换芯片。