CN205091010U - 一种超声水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声水表，包括中央处理单元、时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器；所述中央处理单元分别与时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器连接；所述时间单元还连接有温度传感器、管段超声波换能器；所述收发器包括Mbus收发器和IrDA收发器，Mbus收发器和IrDA收发器分别与中央处理单元连接；所述时间单元内置时间测量芯片GP30；所述中央处理单元内置MSP430FR6877芯片；本实用新型精确度高、线性度高、寿命长、兼容性高，适用于水量高低峰流量变化较大的用户。

Description

一种超声水表

技术领域

本实用新型涉及水表领域，具体涉及一种超声水表。

背景技术

传统流量计或热能表多采用机械叶轮式或旋翼式等，根据转动的圈数与流量成正比，计算器通过采集叶轮转动的圈数计算流量，由于叶轮的转动存在机械磨损，因此传统机械式流量计或热能表存在使用寿命短等缺陷；尤其由于叶轮磨损等原因会造成测量精度降低，另外，由于流体存在含有杂质的情况下，机械式流量计或热能表常常会因此而受到堵塞的严重影响，给使用者带来损失；而现有的超声水表，存在高维护、始动流量大，无法检测漏水和爆管，精度很快变差，易受电磁干扰等问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种超声水表。

本实用新型采用的技术方案是：一种超声水表，包括中央处理单元、时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器；所述中央处理单元分别与时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器连接；所述时间单元还连接有温度传感器、管段超声波换能器；所述收发器包括Mbus收发器和IrDA收发器，Mbus收发器和IrDA收发器分别与中央处理单元连接；；所述时间单元内置时间测量芯片GP30；所述中央处理单元内置MSP430FR6877芯片。

进一步的，所述时间单元内置峰值检测电路和第一波检测门限可调电路。

进一步的，所述时间单元内置系统时钟和脉冲技术时钟。

进一步的，还包括有与中央处理单元连接的数据存储单元。

进一步的，所述电源及监控系统采用高能锂电池作为电源。

进一步的，所述中央处理单元通过eUSI_B0接口与时间单元连接。

进一步的，所述中央处理单元通过eUSI_A0接口与Mbus收发器连接，通过eUSI_A1接口与IrDA收发器连接。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型采用高精度、高稳定时间测量芯片GP30，线性度高、重复性高、精准度高；

(2)本实用新型采用峰值检测电路，监控接收信号幅度强，控制信号质量高；采用第一波检测门限可调电路，抑制接收信号噪声，可靠检测信号到达时间点；

(3)采用低功耗数字信号处理芯片MSP430FR6877，通过滤波优化算法对测量数据进行计算，最大限度的减少了电源消耗，延长了电池寿命，降低了仪表的成本；

(4)本实用新型精度高、不易受电磁干扰；

(5)本实用新型兼容性高，整合有线Mbus、485、脉冲、4-20ma、无线射频、GPRS、GSM多种通讯方式于一体，可兼容欧标Mbus协议、国标188协议、国标185协议等多种无线通信。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种超声水表，包括中央处理单元、时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器；所述中央处理单元分别与时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器连接；所述时间单元还连接有温度传感器、管段超声波换能器；所述收发器包括Mbus收发器和IrDA收发器，Mbus收发器和IrDA收发器分别与中央处理单元连接；所述时间单元内置时间测量芯片GP30；所述中央处理单元内置MSP430FR6877芯片。

Mbus收发器是Mbus总线接口芯片，由它完成MSP430UART接口TTL电平到符合Mbus总线物理层电气特性的信号转换；IrDA红外收发器是完成MSP430的UART的TTL电平信号和适合红外光传输的信号之间的转化的物理层接口芯片。

GP30能够单独完成所有测量任务；其集成了高性能、低功耗的32-bit微处理器，用于计算校准流量和温度，在6HZ时平均功耗低至6μA；具有灵活的输出接口，SPI、UART、pulse，可以输出高精度的数字、模拟信号；且外部结构简单，传感器可以直接连接至GP30，不需要其他的器件；最高可测量31个脉冲，在不同温度下的零点漂移极其稳定，使得滴漏检测＜0.51/h成为可能；集成了振幅测量功能，用来验证接收信号，实现气泡检测，老化检测，空管检测，质量检查等。

MSP430FR6877芯片具有以下特征：

1)嵌入式微处理器：具有16bit精简指令集架构，工作频率可达16MHz；具有宽的电源电压；

2)经过优化的多种超低功耗模式：唤醒模式下，约100μA/MHz；旁路模式，0.4μA；实时钟，0.35μA；关断模式，0.02μA；

3)超低功耗的铁电存储器RAM：最大128KB的非易失存储；超低功耗的写数据操作；快速的写访问，速度达到125ns/word；统一的内存编址，程序、数据在单一的内存空间；10¹⁵次写承受能力；防辐射和磁性破坏；

4)具有智能数字接口：32bit硬件乘法器(MPY)；三通道内部直接内存访问(DMA)；具有日历和告警功能的实时钟(RTC)；5个16bit定时器，每个定时器具有最多7个捕获/比较寄存器；16bit和32bit循环冗余校验器(CRC16，CRC32)；

5)高性能模拟功能模块：16通道模拟比较器；12bit模拟数字转换器(ADC)，具有内部参考和采样保持电路，具有最多16个外部模拟输入通道；集成LCD驱动器，具有对比度可调功能，最多支持320段码；

6)具有多个多功能输入输出端口：所有的P1到P10以及PJ引脚都具有容性触摸功能，且不需要外部添加元件；每个端口可以按比特，字节和字宽度访问；通过检测P1，P2，P3和P4的边沿，可触发唤醒CPU，边沿可选上升沿或下降沿；所有端口具有可编程的上下拉功能；

7)代码安全：随机数发生算法，且具有真正的随机数种子；

8)增强功能的串口通信模块：eUSI_A0和eUSI_A1支持UART，IrDA和SPI模式；eUSI_B0和eUSI_B1支持I2C和SPI模式；

9)灵活的时钟产生系统：具有10个可选固定频率的DCO；低功耗低频内部时钟源；外部32KHz晶体输入；外部高频晶体输入；

10)开发工具和软件：专业免费的软件开发环境，具有EnergyTrace++技术；有各种实验和开发工具。

Mbus总线特点：

1)Mbus是一钟主从半双工通讯系统，通信由主机控制；总线特点：系统总线采用2芯电缆，且极性可互换。因此间相互无力的仪表都可以直接连在单根双绞线电缆上(总线)；

2)远程读表节省了大量的人力物力，避免了抄表人员对用户生活的干扰，允许将仪表安装在角落里，节省空间；

3)抄表周期变得更短，使得由于用户的变更或收费标准变化所带来的纠纷减为最小；

4)加中继器后，主机可连接的从机数量几乎是无限的，远传距离可达几公里；

5)从机是由总线供电的，不需要额外的电源；

6)实现异步通信，速度为300～9600Baud，可靠性高；

7)广泛应用在三表(气表、水表、热表)合一场合。

Mbus总线系统是一个带有通信控制的层次化系统，它由一个主设备、若干从设备和一对连接电缆组成，从机可以通过总线获得所需的电源；为实现数据和能量的共同传输，Mbus总线上的比特流传输采用两种调制方式：电压调制和电流调制。

在实际应用中，Mbus可接的从机数量和传输距离受以下因素限制：

1)总线拓扑结构：对仪表总线来说允许许多种拓扑结构(直线型、环型、星型、树型或混合型)。实际测试实验结果显示，总线的拓扑结构对系统影响很大；星型结构(主机或中继器在中间的情况下)是最好的，树型结构较好，直线型结构一般；均匀分布的终端要比均匀分布的要好；

2)电缆的影响：电缆应达到一定的电流容量和电阻要求，它会直接影响总线的运行。电缆电阻会直接降低电压，使连接总线的终端无法获得正常电压；终端电压不管是从主机到终端，还是从终端到主机都不应低于12V；网络中最长的分线对终端的电压起决定性作用，它的长度将作为电缆电阻的计算依据。

3)终端电流：MBUS终端必须在11mA～20mA电流范围内才能正常工作；由电缆容量引起的信号变形程度同时受电流强弱的影响，太弱的电流将导致通信的不稳定。

4)合理选择总线拓扑结构，增加线径或降低通信波特率将能增加从机的数量和传输距离；实际设置时可以使用的线径应在0.5mm²～1.5mm²范围内选择，线型可选用电话线或一般双绞线，选择带有屏蔽层的线型可提高信号的传输质量，波特率的选择建议在(2400～9600)Baud之间。

Mbus协议建立于ISO-OSI参考模型上，充分利用现有的大多数网络协议，成为一个开放的系统；但是Mbus是一个不完整的网络，Mbus只提供了物理层、数据链路层、网络层和应用层的功能。因为ISO-OSI模型中的高级层不提供修改波特率、地址等参数功能，因此Mbus在七层模型之外有定义了一个管理层；管理层可以不遵守OSI模型，对任何一层进行管理。

物理层的功能是提供比特流传送的物理通道，并为数据链路层提供建立、维护和解除物理连接；物理层规定了主站与从站之间的物理接口的物理和电气特性，负责物理媒体上信息的接收和发送；Mbus的物理层采用Mbus总线标准；数据链路层的功能是在物理连接的基础上建立、维护和解除数据连接。数据链路层以帧为单位传输信息，在每帧信息中附加了许多协议控制信息(如同步信息、地址信息、纠错信息、应达信息等)，以保证信息无差错传送。MBUS的数据链路层采用IEC870标准；应用层是直接面对用户的一层。主要功能包括读数据、写数据、密钥设定、广播校对，以及更改通信速率等。MBUS的应用采用EN1434-3标准。

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道；发送端采用脉时调制(PPM)方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出；简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。

更进一步的技术方案是，所述时间单元内置峰值检测电路和第一波门限可调电路；通过峰值检测电路，中央处理单元可以获取超声波信号的接收幅值，判断管段内水体的流动情况，比如水体是否含有气泡，管道内水体是满管或空管等，从而上报告警；通过第一波检测门限电平，可以有效的抑制超声波信号中的随机噪声，减少了超声波到达时刻的误判情况。

更进一步的技术方案是，所述时间单元内置系统时钟和脉冲技术时钟。

更进一步的技术方案是，还包括有与中央处理单元连接的数据存储单元。

更进一步的技术方案是，所述电源及监控系统采用高能锂电池作为电源；为中央处理单元提供3V电源。

更进一步的技术方案是，所述中央处理单元通过eUSI_B0接口与时间单元连接。

更进一步的技术方案是，所述中央处理单元通过eUSI_A0接口与Mbus收发器连接，通过eUSI_A1接口与IrDA收发器连接。

GP30采用超声波时差法测量，超声波在水中的传播速度和水的流速相关，时差法水表利用一对超声波传感器相互交替收发超声波，并测量超声波在水中的顺流和逆流传播时间差来检测测量水的流速，进而通过流速来测量流量的一种间接测量方法；当水的流速v远远低于水中的声速c₀时，水的流速其中： $t_{down}=\frac{L}{c_0+v},t_{up}=\frac{L}{c_0-v},\mathrm{\Δ}t=t_{u\mathrm{\ρ}}-t_{down};$ Δt为上下游声传播时间差，t_up为上游方向声传播时间，t_down为下游方向声传播时间，L：流体方向超声波信号路径长度，c₀：超声波水中的声速。

使用时，通过管段超声波换能器测量超声波信号，时间测量芯片GP30通过峰值检测电路和第一波检测门限可调电路对信号进行处理，经过处理后的信号发送给中央处理单元；中央处理单元对信号进行处理，将处理结果在显示单元上显示；还可以设置远程抄表系统，实现实时远程抄表计量统计。

本实用新型精度高，测量线性度优于0.5％，重复性精度优于0.2％，测量精度优于±1％，测量灵敏度0.1纳秒；流速范围：0.2m/s-40m/s；管径范围：DN25-DN300；超声水表的始动流量低可达0.0018m³/h，避免小流量不计量，防止滴漏事件；测量量程比范围：1:250-1:500，量程比宽，适用于水量高低峰流量变化较大的用户；配有分时累积器，实现梯度费率，能实现预付费，更科学的收费，并且基于声速差的原理，流速测量准确，能精确补偿介质组分变化对声速的影响；高抗噪声性，可靠性强，无漂移；管道内无活动、流阻部件，无压力损失；性能安全可靠、安装简便、维护成本低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声水表，其特征在于：包括中央处理单元、时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器；所述中央处理单元分别与时间单元、电源及监控系统、显示单元和收发器连接；所述时间单元还连接有温度传感器、管段超声波换能器；所述收发器包括Mbus收发器和IrDA收发器，Mbus收发器和IrDA收发器分别与中央处理单元连接；所述时间单元内置时间测量芯片GP30；所述中央处理单元内置MSP430FR6877芯片。

2.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：所述时间单元内置峰值检测电路和第一波检测门限可调电路。

3.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：所述时间单元内置系统时钟和脉冲技术时钟。

4.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：还包括有与中央处理单元连接的数据存储单元。

5.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：所述电源及监控系统采用高能锂电池作为电源。

6.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：所述中央处理单元通过eUSI_B0接口与时间单元连接。

7.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：所述中央处理单元通过eUSI_A0接口与Mbus收发器连接，通过eUSI_A1接口与IrDA收发器连接。

8.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于：还包括一体式不锈钢表壳。