CN217236894U - 一种抗电磁干扰的超声水表 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种抗电磁干扰的超声水表，涉及超声水表领域，尤其涉及是一种抗电磁干扰的超声水表，本申请的抗电磁干扰的超声水表，包括：MCU、测量模块、超声波流速传感器、滤波模块和静电保护模块；通过设置在静电保护模块中的TVS管，对干扰的静电压进行导流，滤除尖峰脉冲；通过设置的滤波模块，针对使用换能器的频率，结合实际的测试的干扰段，对接收信号进行低通滤波；可消除电磁兼容类引起的干扰信号带来的影响，实现了电磁兼容抗干扰。

Description

一种抗电磁干扰的超声水表

技术领域

本申请涉及超声水表领域，尤其涉及是一种抗电磁干扰的超声水表。

背景技术

随着高分子材料在供水网管上运用的增加，现有技术中的带电子装置的金属水表在电磁兼容性方面表现得比较薄弱，电磁抗干扰静电能力不足，其结果会导致超声水表计量不准，甚至无法进行计量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种抗电磁干扰的超声水表。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种抗电磁干扰的超声水表，包括：MCU、测量模块、超声波流速传感器、滤波模块和静电保护模块；MCU与测量模块连接；测量模块的输出端与超声波流速传感器的输入端连接；滤波模块的一端与超声波流速传感器的输出端连接，另一端与测量模块的输入端连接；超声波流速传感器和滤波模块之间，与静电保护模块的一端连接；静电保护模块包括TVS管，TVS管的一端接地，用于对干扰静电压进行导流；超声波流速传感器用于生成计量信号；滤波模块用于对接收到的计量信号进行低通滤波；测量模块用于根据获取的计量信号计算出流量值。

具体的，测量模块与超声波流速传感器之间还设有阻抗匹配模块，用于调节输出信号的信号幅值。

另一具体的，TVS管的反向关断电压为3.3V。

以上的，滤波模块包括滤波电阻和滤波电容；滤波电容与滤波电阻串联。

具体的，滤波模块的滤波范围为大于等于24MHz。

另一具体的，测量模块包括TDC芯片，用于根据获取的计量信号之间的时间差计算出流量值。

另一具体的，超声波流速传感器包括第一换能器和第二换能器；

第一换能器和第二换能器用于进行声电转换或电声转换。

更具体的，滤波电阻包括第一滤波电阻和第二滤波电阻；滤波电容包括第一滤波电容和第二滤波电容；第一滤波电阻与第一滤波电容串联，第二滤波电阻与第二滤波电容串联。

进一步的，阻抗匹配模块包括第一匹配阻抗和第二匹配阻抗。

更进一步的，第一换能器分别与第一匹配阻抗及第二滤波电容连接；第二换能器分别与第二匹配阻抗及第一滤波电容连接；第一换能器与第二换能器之间通过声波进行信号的传输。

本实用新型达到的有益效果：一种抗电磁干扰的超声水表，包括：MCU、测量模块、超声波流速传感器、滤波模块和静电保护模块；通过设置在静电保护模块中的TVS管，对干扰的静电压进行导流，滤除尖峰脉冲；通过设置的滤波模块，针对使用换能器的频率，结合实际的测试的干扰段，对接收信号进行低通滤波；可消除电磁兼容类引起的干扰信号带来的影响，实现了电磁兼容抗干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的一种抗电磁干扰的超声水表及超声水表的原理方框示意图；

图2是本申请实施例的一种抗电磁干扰的超声水表及超声水表的电路原理示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本申请实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本申请的技术方案，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

一种抗电磁干扰的超声水表，如图1和图2所示，包括：MCU、测量模块、超声波流速传感器、阻抗匹配模块、滤波模块和静电保护模块；MCU与测量模块连接；测量模块的输出端与阻抗匹配模块；阻抗匹配模块与超声波流速传感器的输入端连接；滤波模块的一端与超声波流速传感器的输出端连接，另一端与测量模块的输入端连接。超声波流速传感器和滤波模块之间，与静电保护模块的一端连接。

其中，阻抗匹配模块通过调节输出信号的信号幅值。在本实施例中，输出信号为FIRE脉冲信号。

超声波流速传感器用于生成计量信号。由于超声水表换能器本身存在阻抗，为了信号的连续性，需要计算换能器和信号线的阻抗，选择合适的匹配电阻。匹配电阻太大则消耗过多的能量，导致信号幅值衰减，电阻偏小则会导致其匹配效果不佳，通过对计算出的测量模块的输出接口串联电阻以及实测效果结合对比，选取居中合适的电阻值，以实现信号传递的连续性和信号幅值的最大化。优选的，通过阻抗匹配模块的条件，使输出信号小于等于3.0V。

静电保护模块包括TVS管，TVS管的一端接地，用于对干扰静电压进行导流。TVS管即瞬态抑制二极管,和反应快为纳秒级,当二极管的两级收到反向瞬态高能量冲击时，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，使两极点的电压控制在预定范围内，有效保护电子电路等精密元器件，而且成本低廉，处理方便。

具体的，在本申请实施例中采用的TVS管为单向导通型，反向关断电压为3.3V，经过阻抗匹配后，信号高电位不超过3.0V，当电源超过3.3V时，可以实现滤除杂波，3.0V至3.3V为预留余量，既不会误触发也最大化的降低了滤波门槛，实现最大利用率。水表行业的静电测试最大等级为8KV，而该TVS管自身耐静电抗干扰强度可以达到9KV，故采用该TVS管进行静电滤波，尤其适用于水表信号或者对3.0V的系统进行滤波处理。

滤波模块用于对接收到的计量信号进行低通滤波；滤波模块包括滤波电阻和滤波电容；滤波电容与滤波电阻串联。通过电阻和电容合适的搭配实现信号的截止，高于特定频率则截止，可以导通特定频率，低成本，高可靠，可以有效滤波。

一般传导抗干扰的干扰频段为0.15M～80MHz，辐射抗干扰的干扰频段为26M～1GHz，本申请的实施例中，根据信号采样的实际应用，通过测试发现最大的受扰频段基本为30M～150MHz的频段，根据f_截止＝1/(2π*RC),滤波值取其范围为24MHz，即滤波模块的滤波范围为大于等于24MHz。

额外的，对于不同应用的水表，不同的安装工艺，在不同的环境中所承受的干扰不一样，可以采用不同滤波参数来调整需要屏蔽的干扰频段。

测量模块用于根据获取的计量信号计算出流量值。

超声波流速传感器主要包括两种，一种基于多普勒法，即利用介质对声波的反射使频率发生改变，进而在声源和接收声波的介质相对运动时产生频差；另一种基于运行时间法，即声速叠加介质流速，若超声波与水流方向一致，则运行时间短，反之运行时间就长，流速可由运行时间差运算得来。

具体的，在本实施例中，超声波流速传感器为采用基于运行时间法来计算流速的超声波流速传感器；相应的，测量模块采用TDC芯片，用于根据获取的计量信号之间的时间差计算出流量值。

TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的，由START信号触发，接收到STOP信号停止。通过START和STOP之间通过的门电路的个数来获得START和STOP信号之间的时间间隔。

通过发送FIRE脉冲，驱动换能器电路产生超声波(假设此时为顺流)，同时给出一个START信号，启动测量模块中的测量单元。接收时，经过换能器接收处理，产生的脉冲信号通过模拟电路转换为方波给到STOP1通道，测量单元将自动完成STOP1到START的时间间隔t1的测量。同样的方法，测量出逆流时得到传播时间t2，根据t2-t1时间差，使用时差法，能计算出流量。

更具体的，在本实施例中，如图2所示，超声波流速传感器包括第一换能器A和第二换能器B；第一换能器A和第二换能器B均可用于进行声电转换和电声转换。

滤波模块包括第一滤波电阻(R10)、第二滤波电阻(R9)、第一滤波电容(C9)和第二滤波电容(C8)；第一滤波电阻(R10)与第一滤波电容(C9)串联，第二滤波电阻(R9)与第二滤波电容(C8)串联。

阻抗匹配模块包括第一匹配阻抗(R7)和第二匹配阻抗(R8)。

第一换能器A分别与第一匹配阻抗(R7)及第二滤波电容(C8)连接；第二换能器B分别与第二匹配阻抗(R8)及第一滤波电容(C9)连接；第一换能器A与第二换能器B之间通过声波进行信号的传输。

静电保护模块包括第一TVS管(TVS4)和第二TVS管(TVS3)；第一TVS管(TVS4)连接有第一截止电容(C11)，且与第一滤波电阻(R10)和第一滤波电容(C9)并联连接，并在第一TVS管(TVS4)与第一截止电容(C11)之间接地；第二TVS管(TVS3)连接有第二截止电容(C10)，且与第二滤波电阻(R9)和第二滤波电容(C8)并联连接，并在第二TVS管(TVS3)与第二截止电容(C10)之间接地。

具体的流程如下：

当从MCU接收到计量需求，测量模块开始输出FIRE脉冲信号，并生成第一脉冲信号(FIRE-UP)和第二脉冲信号(FIRE-DOWN)；此时第一脉冲信号(FIRE-UP)和第二脉冲信号(FIRE-DOWN)均为为直流。

第一脉冲信号(FIRE-UP)仅能第一匹配阻抗(R7)传递给第一换能器A，此时信号经过阻抗匹配模块的适配，实现信号传递的连续性和信号幅值的最大化，再传递给第一换能器A。第一换能器A接收到第一脉冲信号(FIRE-UP)后，进行电声信号转换，将声波传递给第二换能器B，第二换能器B接收到声波后实现声电转换，转换成第一计量信号，其中，第一计量信号为交流信号。在第二换能器B接收到信号时，已经开始通过静电保护模块中的第一TVS管(TVS4)进行滤波；如当ESD(Electrostatic Discharge，静电放电)的尖峰脉冲和第一计量信号同时输入时，可以通过第一TVS管(TVS4),将尖峰脉冲滤除。进而将第一计量信号传递给滤波模块；第一计量信号通过第一滤波电容(C9)，然后再经过第一滤波电阻(R10)低通滤波，实现二次滤波，将高频干扰信号滤除。此时，第一计量信号中，由于电磁兼容类引起的干扰信号均被滤除，实现了电磁兼容抗干扰。

与上述同理，第二脉冲信号(FIRE-DOWN)仅能第二匹配阻抗(R8)传递给第二换能器B，第二换能器B接收到第二脉冲信号(FIRE-DOWN)后，进行电声信号转换，将声波传递给第一换能器A，第一换能器A转换成第二计量信号，其中，第二计量信号为交流信号，同时第二TVS管(TVS3)开始对第二换能器B接收到的第二计量信号进行滤波，进而将第二计量信号传递给滤波模块，通过第二滤波电容(C8)，然后再经过第二滤波电阻(R9)低通滤波，实现二次滤波，将高频干扰信号滤除。

测量模块通过分别测量出输出FIRE脉冲信号到接收到第一计量信号和第二计量信号的耗时，即时间间隔t1和时间间隔t2，再根据t2-t1时间差，使用时差法，即可精准的计算出流量。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于，包括：MCU、测量模块、超声波流速传感器、滤波模块和静电保护模块；

所述MCU与所述测量模块连接；所述测量模块的输出端与所述超声波流速传感器的输入端连接；所述滤波模块的一端与所述超声波流速传感器的输出端连接，另一端与所述测量模块的输入端连接；

所述超声波流速传感器和滤波模块之间，与所述静电保护模块的一端连接；

所述静电保护模块包括TVS管，TVS管的一端接地，用于对干扰静电压进行导流；

所述超声波流速传感器用于生成计量信号；

所述滤波模块用于对接收到的计量信号进行低通滤波；

所述测量模块用于根据获取的计量信号计算出流量值。

2.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述测量模块与超声波流速传感器之间还设有阻抗匹配模块，用于调节输出信号的信号幅值。

3.根据权利要求2所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述TVS管的反向关断电压为3.3V。

4.根据权利要求2或3所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述滤波模块包括滤波电阻和滤波电容；所述滤波电容与所述滤波电阻串联。

5.根据权利要求4所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述滤波模块的滤波范围为大于等于24MHz。

6.根据权利要求4所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述测量模块包括TDC芯片，用于根据获取的计量信号之间的时间差计算出流量值。

7.根据权利要求4所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述超声波流速传感器包括第一换能器和第二换能器；

所述第一换能器和第二换能器用于进行声电转换或电声转换。

8.根据权利要求7所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述滤波电阻包括第一滤波电阻和第二滤波电阻；

所述滤波电容包括第一滤波电容和第二滤波电容；

所述第一滤波电阻与所述第一滤波电容串联，所述第二滤波电阻与所述第二滤波电容串联。

9.根据权利要求8所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述阻抗匹配模块包括第一匹配阻抗和第二匹配阻抗。

10.根据权利要求9所述的一种抗电磁干扰的超声水表，其特征在于：

所述第一换能器分别与所述第一匹配阻抗及所述第二滤波电容连接；

所述第二换能器分别与所述第二匹配阻抗及所述第一滤波电容连接；

所述第一换能器与第二换能器之间通过声波进行信号的传输。

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