专利名称：超声波明渠流量计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无接触式流量检测装置，更具体地说是指一种用于污水等流
体的以超声波为检测方式的堰式明渠流量计。
背景技术：
目前随着我国国民经济的高速发展.对水力资源的科学化和现代化管理要求越 来越高。明渠在环境保护、水利资源管理和农田水利灌溉等领域广泛使用，为此使用堰式明 渠流量计进行计量就显得更加重要堰式明渠流量计由于具有结构简单、成本低、测量精度 和可靠性高、被广泛使用同时提出了一些经验公式，并且制定了部分标准，因此具安装维护 方便等优点，自1901年在美国开始研制以来，在欧美和日本有标准性和专业性。在我国很 长一段时间对明渠流量测量大多采用人工的方法，通过一定时间间隔测量液位高度，通过 经验公式换算得到有关数值。由于无法连续测量不能获得流速和瞬时流量。现有技术中也 出现过一些采用单片机的超声波明渠流量计，而使用传统的明渠流量计量方式，存在以下 缺陷 1)检测探头(检测组件)结构复杂，由于传统的超声波测距方式是以超声波接收
与发射的时间差之一半，乘以超声波的速度得出距离，因以该方式得出的被测物的距离是
以超声波的速度成正比关系，而超声波的速度容易受到外部环境因素(如空气的温度、湿
度和密度)的影响，为减少这些环境因素的影响，大部分传统的超声波明渠流量计需要增
加对空气的温度、湿度和密度进行检测的检测电路，以此对检测结果进行修正处理后得出
较为准确的测距值，这无疑会增加检测探头的结构，同时造成其成本居高不下； 2)由于需要对测距结果根据环境温度和噪声进行再处理，而温度和噪声信号的处
理也存在检测处理的误差，传统结构的超声波测距用于对于测距要求较为严格的明渠流量
测距，存在较大的检测误差； 3)主仪器的功耗较大，而且没有采用备用电源结构，导致停电时必须购置价格较 高的逆变电源(如UPS); 4)作为二次仪表的处理组件(主仪器)可扩展性差，无法实现与上位机(如位于 中央控制室的控制计算机)的联网功能。 基于上述现有技术的缺陷，本发明人开发了一种新型的超声波明渠流量计结构。
实用新型内容本实用新型的目的在于为克服现有技术的不足而提供一种结构简单、成本低、检 测精度高又具有多种扩展功能，可与上位机联网的超声波明渠流量计。 本实用新型技术内容为一种超声波明渠流量计，其包括量水堰槽、设于量水堰槽 上方的检测组件和与检测组件通讯联接的处理组件；所述的检测组件包括微控制器，及与 微控制器联接的通讯模块、超声波发射电路和超声波接收电路；其特征在于所述检测组件 与量水堰槽的被测液面之间增设有标准杆；所述的检测组件还包括与微控制器联接的稳压模块；所述的处理组件包括微处理器，及与微处理器联接的通讯部件、显示屏、控制按钮、存 储器和电源模块；所述的通讯部件与检测组件的通讯模块通讯联接。 本实用新型的进一步技术内容为所述的超声波接收电路包括前置放大电路、带 通滤波电路和信号变换电路；所述的微处理器还联接有用于测试和编程的JTAG接口 ；所述 的电源模块包括作为备用电源的充电电池。 本实用新型的进一步技术内容为所述的微处理器还联接有打印接口 ；所述的通 讯部件包括RS485通讯接口 ；所述的通讯模块包括RS 485通讯接口 。 本实用新型的进一步技术内容为所述的通讯部件还包括与上位机通讯联接的以 太网接口。 本实用新型的进一步技术内容为所述的前置放大电路由集成运放组成的自举式 同相交流放大电路；所述的检测组件还包括发送和接收一体化的防水式压电陶瓷超声波传 感器。
本实用新型的进一步技术内容为所述的微处理器还联接有指示灯和蜂鸣器。本实用新型的进一步技术内容为所述的压电陶瓷超声波传感器为TCF40-25T/R 型；所述的微处理器为LPC2220型芯片。 本实用新型的进一步技术内容为所述的前置放大电路还包括仪表放大器 AD620。 本实用新型的进一步技术内容为所述的检测组件设有若干个。 本实用新型与现有技术相比的有益效果是本实用新型因采用设定距离的标准杆 作为参考对象进行超声波测距，减少了外部环境对超声波测距的干扰，从而减少了后期的 温度、气压等补偿电路，使本实用新型的检测组件(一次仪表)结构简单、检测精度高。另 外本实用新型的处理组件(二次仪表)采用高性能低成本的LPC2220芯片作为微处理器， 配有JTAG接口 、打印接口和RS485接口 ，能方便地与上位机进行通讯联接；具有良好的扩展 性能。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。
图1为本实用新型超声波明渠流[0021]图2为本实用新型超声波明渠流[0022]图3为本实用新型超声波明渠流[0023]图4为本实用新型超声波明渠流[0024]附图标记说明[0025]1量水堰槽 220微控制器 2122超声波发射电路24稳压模块26超声波传感器3处理组件31通讯部件
计具体实施例的方框结构图； 计具体实施例的测距公式辅助示意图； 计具体实施例之超声波发射电路原理图； 计具体实施例之超声波接收电路原理图。
检测组件
通讯模块 23 超声波接收电路 25 电池
30 微处理器 32 LCD显示屏[0032]33控制按钮34存储器35电源模块350充电电池36JTAG接口37打印接口38蜂鸣器39指示灯4标准杆5上位机
具体实施方式为了更充分理解本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例对本实用新型的技 术方案进一步介绍和说明。 如图1至图4所示，本实用新型一种超声波明渠流量计，其包括量水堰槽1 、设于量 水堰槽1上方的检测组件2和与检测组件2通讯联接的处理组件3 ;检测组件2包括微控制 器20，及与微控制器20联接的通讯模块21、超声波发射电路22和超声波接收电路23 ;检 测组件2与量水堰槽1的被测液面之间增设有标准杆4 ;检测组件2还包括与微控制器20 联接的稳压模块24 ;处理组件3包括微处理器30，及与微处理器30联接的通讯部件31、显 示屏32、控制按钮33、存储器34(包括Flash和RAM)和电源模块35 ;通讯部件31与检测 组件2的通讯模块21通讯联接(可以采用常用的RS 485或者RS 232通讯)。检测组件2 还包括发送和接收一体化的超声波传感器26 (又称为"探头")。该超声波传感器为防水式 压电陶瓷超声波传感器，在实施例中，压电陶瓷超声波传感器为TCF40-25T/R型。超声波传 感器的中心谐振频率为40KHZ， 10V的发射声压为100dB，接收的灵敏度大于_55(18，工作电 压5-65V，探测距离为0. 2-12米。 如图2所示，由单片机(微控制器20)激励探头(超声波传感器)中的压电晶体发 射超声波信号，并在发射时刻同时启动单片机内部定时器开始计时，该超声波信号在空气 中传播，遇到标准杆(图2中的标准反射体)处，其中一部分产生第l次反射回波，而其余部 分继续在空气中传播。反射部分反方向传播，进入探头，引起探头晶片振荡，产生声能-机 械能-电能转换，使探头输出第1个电信号，引起单片机第1次中断。而在空气中继续传播 的超声波到达水面时，在气液交界面产生第2次反射回波，反射回波反方向传播反射到压 电晶体上，使探头输出另一个电信号，引起单片机的第2次中断。在中断程序里，分别读取 定时器的计数值，即为探头从发射到接收标准杆和水面的反射回波的传播时间t 1和t，根 据下面公式可算出探头到液面的高度H : H = Hlt/tl h = H2-H-ha 式中，h为堰顶水头，ha为堰高，H为探头到液面的距离，H2为探头到堰底的距离。 式中t为传感器至液面的超声波传播时间，tl为传感器至标准反射体之间的超声波传播时 间，Hl为探头到标准杆的距离。以标准杆作为参考距离计算出来的堰槽内的液位，可以减 少以超声波速度的不确定性对测量距离造成的误差。此为本实用新型重要的创新点。 由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号 非常的微弱，不能直接送到后级电路进行处理，必须将信号放大到足够的幅度，才能使后级 电路对它进行正确的处理。如图4所示，超声波接收电路包括前置放大电路、带通滤波电路 和信号变换电路；前置放大电路由集成运放组成的自举式同相交流放大电路，具有很高的输入阻抗，带通滤波电路用以滤除环境噪声，中心频率为40KHZ，Q >= 25，后级放大电路采 用仪表放大器AD620。信号变换电路检测放大之后的信号过零点，信号形式为矩形波形式， 该矩形波信号输入单片机中断引脚，作为超声波传输时间计时用。 处理组件3的微处理器30还联接有用于测试和编程的JTAG接口 36 ;电源模块35 包括作为备用电源的充电电池350。微处理器30还联接有打印接口 37 ;通讯部件31包括 RS485通讯接口和与上位机5通讯联接的以太网接口 (可以实现与上位机的组网)；通讯模 块21包括RS485通讯接口 。 一次仪表与二次仪表采用RS485通讯方式，具有抗干扰能力强、 传输距离远的特点。微处理器30还联接有指示灯39和蜂鸣器38 (起报警和提示的作用)。 微处理器30为LPC2220型芯片。处理组件3的LCD显示屏32可以采用触摸式显示屏，将 控制按钮33采用可编程的触摸式按扭，从而可人机友好的操作界面，微处理器内部可采用 各种嵌入式操作系统(如ucos操作系统)，实现系统控制功能。 作为本实用新型的进一步创新，可以将处理组件与多个检测组件通讯联接，即用 一个处理组件对多个地点的流量检测，可以节省处理组件(二次仪表)的采购成本，构成一 个流量检测网络。 作为本实用新型的再进一步创新，检测组件与处理组件的通讯方式可以采用无线 通讯联接方式，适合于环境恶劣的排污水等水位检测场所。 综上所述，本实用新型因采用设定距离的标准杆作为参考对象进行超声波测距， 减少了外部环境对超声波测距的干扰，从而减少了后期的温度、气压等补偿电路，使本实用 新型的检测组件(一次仪表)结构简单、检测精度高。另外本实用新型的处理组件(二次 仪表)采用高性能低成本的LPC2220芯片作为微处理器，配有JTAG接口 、打印接口和RS485 接口 ，能方便地与上位机进行通讯联接；具有良好的扩展性能。 以上所述仅以实施例来进一步说明本实用新型的技术内容，以便于读者更容易理 解，但不代表本实用新型的实施方式仅限于此，任何依本实用新型所做的技术延伸或再创 造，均受本实用新型的保护。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
权利要求一种超声波明渠流量计，其包括量水堰槽、设于量水堰槽上方的检测组件和与检测组件通讯联接的处理组件；所述的检测组件包括微控制器，及与微控制器联接的通讯模块、超声波发射电路和超声波接收电路；其特征在于所述检测组件与量水堰槽的被测液面之间增设有标准杆；所述的检测组件还包括与微控制器联接的稳压模块；所述的处理组件包括微处理器，及与微处理器联接的通讯部件、显示屏、控制按钮、存储器和电源模块；所述的通讯部件与检测组件的通讯模块通讯联接。
2. 根据权利要求1所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的超声波接收电路包括 前置放大电路、带通滤波电路和信号变换电路；所述的微处理器还联接有用于测试和编程 的JTAG接口 ；所述的电源模块包括作为备用电源的充电电池。
3. 根据权利要求2所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的微处理器还联接有打 印接口 ；所述的通讯部件包括RS485通讯接口 ；所述的通讯模块包括RS485通讯接口 。
4. 根据权利要求3所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的通讯部件还包括与上 位机通讯联接的以太网接口 。
5. 根据权利要求4所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的前置放大电路由集成 运放组成的自举式同相交流放大电路；所述的检测组件还包括发送和接收一体化的防水式 压电陶瓷超声波传感器。
6. 根据权利要求5所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的微处理器还联接有指 示灯和蜂鸣器。
7. 根据权利要求6所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的压电陶瓷超声波传感 器为TCF40-25T/R型；所述的微处理器为LPC2220型芯片。
8. 根据权利要求5所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的前置放大电路还包括 仪表放大器AD620。
9. 根据权利要求1所述的超声波明渠流量计，其特征在于所述的检测组件设有若干
专利摘要本实用新型公开了一种超声波明渠流量计，包括量水堰槽、设于量水堰槽上方的检测组件和与检测组件通讯联接的处理组件；检测组件包括微控制器，及与微控制器联接的通讯模块、超声波发射电路和超声波接收电路；检测组件与量水堰槽的被测液面之间增设有标准杆；检测组件还包括与微控制器联接的稳压模块；处理组件包括微处理器，及与微处理器联接的通讯部件、显示屏、控制按钮、存储器和电源模块；通讯部件与检测组件的通讯模块通讯联接。本实用新型减少了温度、气压等补偿电路，使检测组件结构简单、检测精度高。另外本实用新型的处理组件采用高性能低成本的微处理器，配有JTAG接口、打印接口和RS485接口，能方便地与上位机进行通讯联接；具有良好的扩展性能。
文档编号G01F1/66GK201527287SQ20092020440
公开日2010年7月14日 申请日期2009年8月29日 优先权日2009年8月29日
发明者刘丰, 庞莉, 王小仙, 王耀辉 申请人:宇星科技发展(深圳)有限公司