CN212320811U - 便携式超声波管道流量检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式超声波管道流量检测装置，包括：手持终端、MCU、超声波发射探头、超声波接收探头、发射单元和接收单元；所述手持终端上设置有显示屏和按键；超声波发射探头、超声波接收探头皆与手持终端相连；所述发射单元包括脉冲信号发生电路和电感式超声波发射电路；所述接收单元包括接收电路、缓冲检波电路和A/D转换模块。本方案中发射单元无需高压供电即可激发超声波，手持终端无需配置高压直流电源模块，消除了现场检测时的安全隐患，进一步减小了体积，并且电路简单、成本低。

Description

便携式超声波管道流量检测装置

技术领域

本实用新型涉及测量设备领域，具体的涉及一种便携式超声波管道流量检测装置。

背景技术

超声波流量计广泛应用于管道流量检测领域，其利用“速度差法”原理对管道内流量进行测量，超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

现有的超声波流量计的超声波发射模块需要配置高压直流电源，导致电路复杂、成本高并且体积大，便携性差，并且高压直流电源在使用中会带来一定的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种便携式超声波管道流量检测装置，体积小、携带方便、电路简单、成本低、无需配置高压直流电源。

根据本实用新型实施例的便携式超声波管道流量检测装置，包括：

手持终端，所述手持终端上设置有显示屏和按键；

MCU，所述MCU设置在手持终端内；

超声波发射探头和超声波接收探头，所述超声波发射探头、超声波接收探头皆与手持终端相连；

发射单元，所述发射单元包括脉冲信号发生电路和电感式超声波发射电路，所述MCU的输出端连接脉冲信号发生电路的输入端，所述脉冲信号发生电路的输出端连接电感式超声波发射电路的控制端，所述电感式超声波发射电路的位于超声波发射探头内；

接收单元，所述接收单元包括接收电路、缓冲检波电路和A/D转换模块，所述接收电路的位于超声波接收探头内，所述接收电路的输出端电性连接缓冲检波电路的输入端，所述缓冲检波电路的输出端电性连接A/D转换模块的输入端，所述A/D转换模块的输出端电性连接MCU的输入端；

电源模块，所述电源模块安装在手持终端内以用于供电。

根据本实用新型实施例的便携式超声波管道流量检测装置，至少具有如下技术效果：本实用新型实施方式中，用户将超声波发射探头和超声波接收探头安装在管道上，再通过手持终端即可实时读取管道内液体流量。整个装置体积小、便于携带。发射单元通过脉冲信号发生电路产生窄脉冲信号，电感式超声波发射电路在窄脉冲信号的控制下，通过储能电感在瞬时放电过程中产生脉冲高电流的原理对发射晶片进行激励，从而发射超声波；接收电路接收到超声波回声信号后通过缓冲检波电路对信号进行幅度检波，并且通过缓冲器U5保证了与A/D转换模块的顺利耦合，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号后反馈给MCU。本方案中发射单元无需高压供电即可激发超声波，手持终端无需配置高压直流电源模块，消除了现场检测时的安全隐患，进一步减小了体积，并且电路简单、成本低。

根据本实用新型的一些实施例，所述脉冲信号发生电路包括三极管QF1、脉冲发生芯片U1和RC微分电路，所述三极管的控制端连接MCU的输出端，所述三极管QF1的输出端连接脉冲发生芯片U1的输入端，所述脉冲发生芯片U1连接RC微分电路的输入端，所述RC微分电路的输出端连接电感式超声波发射电路的输入端。

根据本实用新型的一些实施例，所述电感式超声波发射电路包括开关元件Q1、储能电感L1、电容C1、电阻R3、电阻R4和发射晶片；所述开关元件Q1的控制端与脉冲信号发生电路的输出端相连，所述开关元件Q1的输出端连接储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接电源模块的正极，所述储能电感L1与开关元件Q1的公共端连接电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接发射晶片的一端，所述发射晶片的另一端接地，所述电阻R3、R4皆与发射晶片的两端并联。

根据本实用新型的一些实施例，所述电感式超声波发射电路还包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R1和电感L2，所述开关元件Q1的输出端通过电阻R1连接储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接二极管D2的负极，所述二极管D2的正极接地，所述电容C1的另一端连接二极管D3的负极，所述二极管D3的正极连接二极管D1的负极，所述二极管D1的正极连接发射晶片的一端。

根据本实用新型的一些实施例，所述接收电路包括接收晶片和增益放大器U2，所述接收晶片的输出端连接增益放大器U2的输入端，所述增益放大器U2的输出端连接缓冲检波电路的输入端。

根据本实用新型的一些实施例，所述缓冲检波电路包括第一运算放大器U3、第二运算放大器U6、全波整流器U4和缓冲器U5，所述第一运算放大器U3的输入端连接接收电路的输出端，所述第一运算放大器U3的输出端连接全波整流器U4的输入端，所述全波整流器U4的输出端连接缓冲器U5的输入端，所述缓冲器U5的输出端连接第二运算放大器U6的输入端，所述第二运算放大器U6的输出端连接A/D转换模块的输入端。

还包括充电电池，所述充电电池设置在手持终端内并且与电源模块电性连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述MCU为STM32系列的处理器。

根据本实用新型的一些实施例，所述超声波发射探头和超声波接收探头上皆设置有用于固定在管道上的夹持部。

根据本实用新型的一些实施例，所述夹持部为磁吸头。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例中便携式超声波管道流量检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中便携式超声波管道流量检测装置的原理框图；

图3为本实用新型中脉冲信号发生电路的电路原理图；

图4为本实用新型中电感式超声波发射电路的电路原理图；

图5为本实用新型中接收电路的电路原理图；

图6为本实用新型中缓冲检波电路的电路原理图。

附图标号

手持终端100、显示屏110、按键120、microusb口130、发射单元200、脉冲信号发生电路210、电感式超声波发射电路220、接收单元300包括接收电路310、缓冲检波电路320、A/D转换模块330、MCU400、超声波发射探头510、超声波接收探头520。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参考图1，一种便携式超声波管道流量检测装置，包括：手持终端100、超声波发射探头510和超声波接收探头520、以及电源模块，手持终端100上设置有显示屏110和按键120。超声波发射探头510、超声波接收探头520皆通过数据线与手持终端相连，为了使探头更好的紧贴管道，超声波发射探头510和超声波接收探头520上皆设置有用于固定在管道上的夹持部。优选的，夹持部为磁吸头。当然，磁吸头只适用于金属管道的流量监测，非金属管道可以采用常用的机械式夹持件或者绑带进行固定。

手持终端100内安装有MCU400、发射单元200和接收单元300，MCU400分别与显示屏110和按键120电性连接以用于实现人机交互。MCU400一方面控制发射单元200发出超声波，另一方面根据接收单元300接收的超声波信息并利用“速度差法”原理对管道内流量进行测量。优选的，本实施例中MCU400为STM32系列的处理器。手持终端100内还配置有充电电池，手持终端100的侧边设置有microusb口130，可以充电或读取数据。

参考图2，发射单元200包括脉冲信号发生电路210和电感式超声波发射电路220，本实用新型中发射单元200的原理是在窄脉冲控制之下，产生激励超声探头的高压控制信号，以实现超声波发射；接收单元300包括接收电路310、缓冲检波电路320和A/D转换模块330；MCU400的输出端电性连接脉冲信号发生电路210的输入端，脉冲信号发生电路210的输出端电性连接电感式超声波发射电路220的控制端，电感式超声波发射电路220的输出端用于发射超声波，接收电路310的输入端用于接收超声波信号，接收电路310的输出端电性连接缓冲检波电路320的输入端，缓冲检波电路320的输出端电性连接A/D转换模块330的输入端，A/D转换模块330的输出端电性连接MCU400的输入端。

参考图3，脉冲信号发生电路210包括三极管QF1、脉冲发生芯片U1和RC微分电路，优选的，本实施例中脉冲发生芯片U1的型号为定时器NE555P，三极管QF1的基极通过电阻R6电性连接FPGA处理器的控制输出端，三极管QF1的集电极电性连接NE555P的TRIG引脚，三极管的集电极通过电阻R8电性连接+12V电源端子，三极管QF1的发射极通过电阻R10接地，NE555P的OUT引脚电性连接RC微分电路的输入端，RC微分电路的输出端电性连接电感式超声波发射电路220中开关元件Q1的控制端，脉冲信号发生电路210的作用是产生窄脉冲信号，定时器NE555P构成单稳态电路以产生矩形脉冲，RC微分电路将矩形脉冲变为窄脉冲信号发送给电感式超声波发射电路220以控制其发射超声波。

其中，二极管D1和D2作为单向开关，二极管D3为稳流二极管，防止电压电流突变。

电感式超声波发射电路220设置在超声波发射探头510内，参考图4，电感式超声波发射电路220包括开关元件Q1、储能电感L1、电容C1、电阻R3、电阻R4和发射晶片，还包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R1和电感L2，优选的，本实施例中开关元件Q1采用N沟道MOSFET；MOSFET的栅极与RC微分电路的输出端相连，MOSFET的源极接地，MOSFET的漏极通过电阻R1电性连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端电性连接+12V电源端子，储能电感L1与，MOSFET的公共端电性连接电容C1的一端，电容C1的另一端电性连接二极管D3的负极，二极管D3的正极电性连接二极管D1的负极，二极管D1的正极电性连接发射晶片的一端，发射晶片的另一端接地，电阻R3、R4皆与发射晶片的两端并联，电容C1和二极管D3的公共端通过电阻R2接地，二极管D1和二极管D3的公共端通过电阻R5接地，储能电感L1电性连接+12V电源端子的一端电性连接二极管D2的负极，二极管D2的正极接地，二极管D2的两端还并联有极性电容CB1。

本实施例的电感式超声波发射电路220带有储能电感L1和开关元件，电感L1储能形成触发脉冲，无需配置直流高压电源。其工作原理为：当MOSFET的栅极输入的脉冲为正时，MOSFET导通，MOSFET自身相当于一个小电阻，与电阻R1、电感L1串联，和12V电源一起构成回路，此时L1中的电流快速上升进行储能。当MOSFET的栅极输入的脉冲为负时，栅极置低，MOSFET迅速关断，L1、C1、R3、R4组成谐振电路快速放电，在电阻R4上形成数百伏的高压触发脉冲对发射晶片进行激励。

接收电路310设置在超声波接收探头520内，参考图5，接收电路310包括接收晶片和增益放大器U2，优选的，增益放大器U2的型号为AD603，接收晶片接收的超声回波信号通过电容C210电性连接AD603的VINP引脚，通过AD603内置的衰减器衰减后,再通过AD603内置的定增益放大器放大，最后通过AD603的VOUT引脚输出。

其中，在输出引脚VOUT和反馈引脚FDBK之间用可调电阻R23连接,可以灵活地选择增益范围。通过可调电阻R23,可以调整GPOS与GNEG间的电压在0～0.5V之间,如果将可9调电阻R23的阻值调至0,则使得放大器的增益变化范围是10～30dB。

参考图6，缓冲检波电路32包括第一运算放大器U3、第二运算放大器U6、全波整流器U4和缓冲器U5，优选的，本实施例中第一运算放大器U3、第二运算放大器U6的型号皆为AD810，缓冲器U5的型号为LH0330，全波整流器U4的型号为AD8036。第一运算放大器U3的同相输入端连接AD603的VOUT引脚，第一运算放大器U3的输出端通过电阻R13连接全波整流器U4的VL引脚，还通过电阻R13和电阻R14连接全波整流器U4的同相输入端，第一运算放大器U3设置在全波整流器U4的前端，用于检波前的缓冲，AD810的高输入阻抗保证了AD603的衰减精度，全波整流器U4的输出端连接缓冲器U5的同相输入端，AD8036作为全波整流器对AD603输出的信号进行幅度检波，缓冲器U5的输出端连接第二运算放大器U6的反相输入端，第二运算放大器U6的输入端除了接收缓冲器LH0330的输出外,还有一个由-5V电源产生的直流偏移电压,其作用是调节噪声对显示基线的影响，第二运算放大器U6的输出端连接A/D转换模块330的输入端。第一运算放大器U3的作用是使全波整流器U4与前端的AD603顺利耦合，缓冲器U5和第二运算放大器U6的作用是使全波整流器U4和后端的A/D转换模块顺利耦合。

优选的，本实施例中A/D转换模块330的型号为ICL7109，也可以采用其他常规的A/D转换模块。

综上所述，本实用新型中用户将超声波发射探头510和超声波接收探头520安装在管道上，再通过手持终端100即可实时读取管道内液体流量。整个装置体积小、便于携带。发射单元200通过脉冲信号发生电路210产生窄脉冲信号，电感式超声波发射电路220在窄脉冲信号的控制下，通过储能电感在瞬时放电过程中产生脉冲高电流的原理对发射晶片进行激励，从而发射超声波；接收电路310接收到超声波回声信号后通过缓冲检波电路320对信号进行幅度检波，并且通过缓冲器U5保证了与A/D转换模块330的顺利耦合，A/D转换模块330将模拟信号转换为数字信号后反馈给MCU。本方案中发射单元200无需高压供电即可激发超声波，手持终端100无需配置高压直流电源模块，消除了现场检测时的安全隐患，进一步减小了体积，并且电路简单、成本低。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于，包括：

手持终端(100)，所述手持终端(100)上设置有显示屏(110)和按键(120)；

MCU(400)，所述MCU(400)设置在所述手持终端(100)内；

超声波发射探头(510)和超声波接收探头(520)，所述超声波发射探头(510)、超声波接收探头(520)皆与所述手持终端(100)相连；

发射单元(200)，所述发射单元(200)包括脉冲信号发生电路(210)和电感式超声波发射电路(220)，所述MCU(400)的输出端连接所述脉冲信号发生电路(210)的输入端，所述脉冲信号发生电路(210)的输出端连接所述电感式超声波发射电路(220)的控制端，所述电感式超声波发射电路(220)的位于所述超声波发射探头(510)内；

接收单元(300)，所述接收单元(300)包括接收电路(310)、缓冲检波电路(320)和A/D转换模块(330)，所述接收电路(310)位于所述超声波接收探头(520)内，所述接收电路(310)的输出端电性连接所述缓冲检波电路(320)的输入端，所述缓冲检波电路(320)的输出端电性连接所述A/D转换模块(330)的输入端，所述A/D转换模块(330)的输出端电性连接所述MCU(400)的输入端；

电源模块，所述电源模块安装在所述手持终端(100)内以用于供电。

2.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述脉冲信号发生电路(210)包括三极管QF1、脉冲发生芯片U1和RC微分电路，所述三极管的控制端连接所述MCU(400)的输出端，所述三极管QF1的输出端连接所述脉冲发生芯片U1的输入端，所述脉冲发生芯片U1连接所述RC微分电路的输入端，所述RC微分电路的输出端连接所述电感式超声波发射电路(220)的输入端。

3.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述电感式超声波发射电路(220)包括开关元件Q1、储能电感L1、电容C1、电阻R3、电阻R4和发射晶片；所述开关元件Q1的控制端与所述脉冲信号发生电路(210)的输出端相连，所述开关元件Q1的输出端连接所述储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接所述电源模块的正极，所述储能电感L1与所述开关元件Q1的公共端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述发射晶片的一端，所述发射晶片的另一端接地，所述电阻R3、R4皆与所述发射晶片的两端并联。

4.根据权利要求3所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述电感式超声波发射电路(220)还包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R1和电感L2，所述开关元件Q1的输出端通过所述电阻R1连接所述储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接所述二极管D2的负极，所述二极管D2的正极接地，所述电容C1的另一端连接所述二极管D3的负极，所述二极管D3的正极连接所述二极管D1的负极，所述二极管D1的正极连接所述发射晶片的一端。

5.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述接收电路(310)包括接收晶片和增益放大器U2，所述接收晶片的输出端连接所述增益放大器U2的输入端，所述增益放大器U2的输出端连接所述缓冲检波电路(320)的输入端。

6.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述缓冲检波电路(320)包括第一运算放大器U3、第二运算放大器U6、全波整流器U4和缓冲器U5，所述第一运算放大器U3的输入端连接所述接收电路(310)的输出端，所述第一运算放大器U3的输出端连接所述全波整流器U4的输入端，所述全波整流器U4的输出端连接所述缓冲器U5的输入端，所述缓冲器U5的输出端连接所述第二运算放大器U6的输入端，所述第二运算放大器U6的输出端连接所述A/D转换模块(330)的输入端。

7.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：还包括充电电池，所述充电电池设置在所述手持终端(100)内并且与所述电源模块电性连接。

8.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述MCU(400)为STM32系列的处理器。

9.根据权利要求1所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述超声波发射探头(510)和所述超声波接收探头(520)上皆设置有用于固定在管道上的夹持部。

10.根据权利要求9所述的便携式超声波管道流量检测装置，其特征在于：所述夹持部为磁吸头。

Images