一種超聲波流量傳感器和流量檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種超聲波流量傳感器，包括導流管，在導流管的管壁上設置有向外凸起的容納腔，在該容納腔中設置有微處理器以及與其分別電連接的第一超聲發射器、第二超聲發射器、第一超聲接收器和第二超聲接收器，在與容納腔相對的內管壁上設置有第一反射片和第二反射片。該超聲波流量傳感器通過測量超聲波在水中沿順流和逆流的傳播時間來獲取水流速度，避免了直接利用超聲波在水流中的速度計算水流速度所引入的溫度影響，提高了水流的測量精度和測量效率。本發明還公開了一種流量檢測方法，先根據預先設置的閾值判斷水管是否處于正常工作狀態，若是則獲取水流速度，不是則直接發送報警信號，使得水管能夠得到及時維修，減少水資源的浪費。
【專利說明】
一種超聲波流量傳感器和流量檢測方法
技術領域
[0001]本發明屬于儀器儀表技術領域，尤其涉及一種超聲波流量傳感器和流量檢測方法。
【背景技術】
[0002]目前大部分的水表都是在傳統的機械表上進行改造，與傳統的水表相比，超聲波水表可以實現很高的測量精確度，且因為它沒有移動的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動。它能夠準確地測量水表產品的寬頻，而不需像機械型技術那樣需要驗證。高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏，并可以測量和補充各種會影響監護運輸領域中的測量準確度的變量。超聲波水表正在快速發展成為流量測量領域的主導，且超聲波水表具有高精確度和低總體擁有成本。不論是從技術上還是從經濟上看，超聲波水表都是水表行業的理想選擇。
[0003]根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。
[0004]超聲流量計和超聲波流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，它是發展迅速的一類流量計之一。
[0005]然而水溫對超聲波在水中的傳播速度的影響，從而影響到超聲波水表的測量精度。因此，現有技術中在利用超聲波水表進行水流量檢測時，為了擴大水溫的允許范圍，必須對測量結果進行相關的溫度補償，這是因為水溫的變化會導致超聲波在水中的傳播速度的變化，從而導致測量的水流速度值的誤差，而進行溫度補償必然會增加超聲波流量傳感器的操作復雜度，降低水流的檢測效率和抄表效率。
[0006]另外，現有技術中的超聲波水表沒有報警功能，當水管管道損壞造成大量漏水時，超聲波便在空氣中或者是空氣較多的管道中傳輸，然而超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，在水中的傳播速度約為1500m/s，此時超聲波水表若按照超聲波在水中的傳播速度計算水流速度，不但測量不準確，還會因為沒有對水管及時維修而造成大量自來水外流。

【發明內容】

[0007]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種超聲波流量傳感器，能夠提高水流的測量精度和效率，本發明還提供了一種流量檢測方法，能夠減少因水管未能及時維修而造成的資源浪費。
[0008]技術方案:為實現上述目的，本發明中超聲波流量傳感器包括導流管，在導流管的管壁上設置有向外凸起的容納腔，在該容納腔中設置有微處理器以及與其分別電連接的第一超聲發射器、第二超聲發射器、第一超聲接收器和第二超聲接收器;所述第一超聲發射器和第二超聲接收器位于微處理器的一側，兩者所在直線垂直與管壁;所述第一超聲接收器和第二超聲發射器位于微處理器的另一側，兩者所在直線垂直與管壁;第一超聲發射器和第一超聲接收器所在直線平行于導流管的管壁，第二超聲發射器和第二超聲接收器所在直線平行于導流管的管壁;在與容納腔相對的內管壁上設置有第一反射片和第二反射片，分別位于容納腔的兩側，所述第一反射片和第二反射片配合工作，用于將第一超聲發射器發射的超聲波信號反射至第一超聲接收器，將第二超聲發射器發射的超聲波信號反射至第二超聲接收器。
[0009]其中，所述微處理器包括計時模塊，用于獲取超聲波信號從第一超聲發射器至第一超聲接收器的傳輸時間Tl和超聲波信號從第二超聲發射器至第二超聲接收器的傳輸時間T2。
[0010]進一步地，所述微處理器還包括報警模塊，用于將獲取到的傳輸時間Tl與其內部預先設置的閾值進行比較，若傳輸時間Tl大于該閾值，則發送報警信號。
[0011 ]相應地，本發明還提供了一種利用上述超聲波流量傳感器進行流量檢測方法，包括以下步驟:
[0012]獲取超聲波信號從第一超聲發射器至第一超聲接收器的傳輸時間Tl和超聲波信號從第二超聲發射器至第二超聲接收器的傳輸時間Τ2;
[0013 ]將獲取到的傳輸時間Tl與其內部預先設置的閾值進行比較，若傳輸時間TI大于該閾值，則發送報警信號;否則，根據傳輸時間Tl、Τ2計算水流速度V2。
[0014]有益效果:本發明中的超聲波流量傳感器通過測量超聲波在水中沿順流和逆流的傳播時間來獲取水流速度，避免了直接利用超聲波在水流中的速度計算水流速度所引入的溫度影響，提高了水流的測量精度，同時，由于超聲波流量傳感器的結構簡單，水流速度的計算簡單，操作方便，能夠提高測量效率;進一步地，本發明中的流量檢測方法，先根據預先設置的閾值判斷水管是否處于正常工作狀態，若是則獲取水流速度，不是則直接發送報警信號，使得水管能夠得到及時維修，減少水資源的浪費。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明中超聲波流量傳感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。
[0017]實施例1:
[0018]圖1中的超聲波流量傳感器包括由導流管I，在導流管I的外壁上設置有凸起的容納腔，在該容納腔中設置有微處理器8以及與其分別電連接的第一超聲發射器4、第二超聲發射器5、第一超聲接收器6和第二超聲接收器7，微處理器8可以向遠端服務器傳輸信號，超聲波流量傳感器在使用時，其導流管I的兩端接通水管，水沿導流管I的管壁流動，第一超聲發射器4和第二超聲接收器7位于微處理器8的一側，兩者所在直線垂直與管壁;第一超聲接收器6和第二超聲發射器5位于微處理器8的另一側，兩者所在直線垂直與管壁;第一超聲發射器4和第一超聲接收器6所在直線平行于導流管I的管壁，第二超聲發射器5和第二超聲接收器7所在直線平行于導流管I的管壁;在與容納腔相對的內管壁上設置有第一反射片2和第二反射片3，分別位于容納腔的兩側，與上述超聲發射器和超聲接收器的位置對應，能夠將第一超聲發射器4發射的超聲波信號反射至第一超聲接收器6，將第二超聲發射器5發射的超聲波信號反射至第二超聲接收器7。
[0019]為了防止水里可能有雜質顆粒破壞，或者會影響超聲波傳感器以及反射片的正常工作，在導流管I的水流入口處的地方加一個濾網，把一定量的顆粒擋住，以便于超聲波流量傳感器的正常工作。
[0020]上述微處理器8包括計時模塊，超聲波流量傳感器的發射和接收控制及傳播時間的處理，都是由微處理器8的計時模塊完成:微處理器8啟動第一超聲發射器4發出第一超聲波信號并開始計時，該超聲波信號經第一反射片2反射后，在導流管I中的水中穿行，到達第二反射片3后，再次反射之后到達第一超聲接收器6，第一超聲接收器6再將信號傳送到微處理器8中，微處理器8結束計時，得到第一超聲波信號的傳輸時間Tl;微處理器8啟動第二超聲發射器5發出第二超聲波信號并開始計時，該超聲波信號經第二反射片3反射后，在導流管I中的水中穿行，到達第一反射片2后，再次反射之后到達第二超聲接收器7，第二超聲接收器7再將信號傳送到微處理器8中，微處理器8結束計時，得到第二超聲波信號的傳輸時間T2。
[0021 ]若水流方向為圖1中的從左至右，貝Ij第一超聲波信號的傳輸時間Tl的表達式為:Tl=S+(VdV2);第二超聲波信號的傳輸時間T2的表達式為:TS = S^(V1-V2),反之亦然，時中，S為導流管I中第一超聲發射器4和第一超聲接收器6之間的距離，V1為超聲波在水中的傳輸速度;^為導流管I中水流的速度。
[0022]最終推導出水流速度為:V2=(S + Tl_S + T2)/2，其中，Tl和T2經過測量已經獲知，測量的傳播時間Tl和T2被微處理器定時讀寫處理，再做相關的數據處理，就可得到穩定可靠的傳播時間差，即1/T1和1/T2的差值，最后根據等式就可以計算出流量。可以看出，最終的公式與超聲波在水中的速度^無關，故利用超聲波在水中沿順流和逆流的傳播時間做差可消除溫度影響。
[0023]實施例2:
[0024]本實施例中的超聲波流量傳感器與實施例1中的結構相同，唯一不同的是，本實施例中的微處理器8還進一步包含報警模塊，用于在進行水流速度計算之前判斷水管是否存在故障，其內部程序中設置一閾值，若第一超聲波信號的傳輸時間Tl大于該閾值，則向遠端服務器發送報警信號;否則按照實施例1中的方法計算水流速度V2。
[0025]流經過超聲波水表的流速V2—般小于lOm/s，在空氣中的傳播速度約為340m/s，在水中的傳播速度Vl約為1500m/s，S卩上述中的Vl遠大于V2，即使在空氣中的傳播速度也是遠大于V2，那么第一超聲波信號的傳輸時間Tl可以近似為:Tl = S + V1，顯然，當超聲波便在空氣中或者是空氣較多的管道中傳輸，那么微處理器8所得到的第一超聲波信號的傳輸時間Tl與在水中傳播的時間是相差很多的。因此，本實施例中的閾值可以根據多次試驗獲得超聲波在水流中的傳播時間而進行合理設置。
[0026]以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種超聲波流量傳感器，其特征在于，該傳感器包括導流管(I)，在導流管(I)的管壁上設置有向外凸起的容納腔，在該容納腔中設置有微處理器(8)以及與其分別電連接的第一超聲發射器(4)、第二超聲發射器(5)、第一超聲接收器(6)和第二超聲接收器(7);所述第一超聲發射器(4)和第二超聲接收器(7)位于微處理器(8)的一側，兩者所在直線垂直與管壁;所述第二超聲發射器(5)和第一超聲接收器(6)位于微處理器(8)的另一側，兩者所在直線垂直與管壁;第一超聲發射器(4)和第一超聲接收器(6)所在直線平行于導流管(I)的管壁，第二超聲發射器(5)和第二超聲接收器(7)所在直線平行于導流管(I)的管壁;在與容納腔相對的內管壁上設置有第一反射片(2)和第二反射片(3)，分別位于容納腔的兩側，所述第一反射片(2)和第二反射片(3)配合工作，用于將第一超聲發射器(4)發射的超聲波信號反射至第一超聲接收器(6)，將第二超聲發射器(5)發射的超聲波信號反射至第二超聲接收器(7)。2.根據權利要求1所述的超聲波流量傳感器，其特征在于，所述微處理器(8)包括計時模塊，用于獲取超聲波信號從第一超聲發射器(4)至第一超聲接收器(6)的傳輸時間Tl和超聲波信號從第二超聲發射器(5)至第二超聲接收器(7)的傳輸時間T2。3.根據權利要求2所述的超聲波流量傳感器，其特征在于，所述微處理器(8)還包括報警模塊，用于將獲取到的傳輸時間Tl與其內部預先設置的閾值進行比較，若傳輸時間Tl大于該閾值，則發送報警信號。4.根據權利要求2所述的超聲波流量傳感器，其特征在于，水流速度V2的計算公式為:V2=( S + Tl -S + T2) /2，式中，S為第一超聲發射器和第一超聲接收器之間的距離。5.根據權利要求1至4中任意一項所述的超聲波流量傳感器，其特征在于，所述導流管(I)的水流入口處設置有濾網。6.一種利用權利要求3所述的超聲波流量傳感器進行流量檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 獲取超聲波信號從第一超聲發射器至第一超聲接收器的傳輸時間Tl和超聲波信號從第二超聲發射器至第二超聲接收器的傳輸時間T2; 將獲取到的傳輸時間TI與其內部預先設置的閾值進行比較，若傳輸時間Tl大于該閾值，則發送報警信號;否則，根據傳輸時間Tl、T2計算水流速度V2。7.根據權利要求6所述的流量檢測方法，其特征在于，水流速度V2的計算公式為:V2=(S+ Tl-S + T2)/2，式中，S為第一超聲發射器和第一超聲接收器之間的距離。
【文檔編號】G01F1/66GK105865551SQ201610414141
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】曹祥春, 張凱
【申請人】江蘇賽達電子科技有限公司