專利名稱：超聲波明渠流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無接觸式流量檢測裝置，更具體地說是指一種用于污水等流
體的以超聲波為檢測方式的堰式明渠流量計(jì)。
背景技術(shù)：
目前隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展.對水力資源的科學(xué)化和現(xiàn)代化管理要求越 來越高。明渠在環(huán)境保護(hù)、水利資源管理和農(nóng)田水利灌溉等領(lǐng)域廣泛使用，為此使用堰式明 渠流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量就顯得更加重要堰式明渠流量計(jì)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量精度 和可靠性高、被廣泛使用同時提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式，并且制定了部分標(biāo)準(zhǔn)，因此具安裝維護(hù) 方便等優(yōu)點(diǎn)，自1901年在美國開始研制以來，在歐美和日本有標(biāo)準(zhǔn)性和專業(yè)性。在我國很 長一段時間對明渠流量測量大多采用人工的方法，通過一定時間間隔測量液位高度，通過 經(jīng)驗(yàn)公式換算得到有關(guān)數(shù)值。由于無法連續(xù)測量不能獲得流速和瞬時流量?，F(xiàn)有技術(shù)中也 出現(xiàn)過一些采用單片機(jī)的超聲波明渠流量計(jì)，而使用傳統(tǒng)的明渠流量計(jì)量方式，存在以下 缺陷 1)檢測探頭(檢測組件)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的超聲波測距方式是以超聲波接收
與發(fā)射的時間差之一半，乘以超聲波的速度得出距離，因以該方式得出的被測物的距離是
以超聲波的速度成正比關(guān)系，而超聲波的速度容易受到外部環(huán)境因素(如空氣的溫度、濕
度和密度)的影響，為減少這些環(huán)境因素的影響，大部分傳統(tǒng)的超聲波明渠流量計(jì)需要增
加對空氣的溫度、濕度和密度進(jìn)行檢測的檢測電路，以此對檢測結(jié)果進(jìn)行修正處理后得出
較為準(zhǔn)確的測距值，這無疑會增加檢測探頭的結(jié)構(gòu)，同時造成其成本居高不下； 2)由于需要對測距結(jié)果根據(jù)環(huán)境溫度和噪聲進(jìn)行再處理，而溫度和噪聲信號的處
理也存在檢測處理的誤差，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的超聲波測距用于對于測距要求較為嚴(yán)格的明渠流量
測距，存在較大的檢測誤差； 3)主儀器的功耗較大，而且沒有采用備用電源結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致停電時必須購置價格較 高的逆變電源(如UPS); 4)作為二次儀表的處理組件(主儀器)可擴(kuò)展性差，無法實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(如位于 中央控制室的控制計(jì)算機(jī))的聯(lián)網(wǎng)功能。 基于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明人開發(fā)了一種新型的超聲波明渠流量計(jì)結(jié)構(gòu)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、檢 測精度高又具有多種擴(kuò)展功能，可與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)的超聲波明渠流量計(jì)。 本實(shí)用新型技術(shù)內(nèi)容為一種超聲波明渠流量計(jì)，其包括量水堰槽、設(shè)于量水堰槽 上方的檢測組件和與檢測組件通訊聯(lián)接的處理組件；所述的檢測組件包括微控制器，及與 微控制器聯(lián)接的通訊模塊、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路；其特征在于所述檢測組件 與量水堰槽的被測液面之間增設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)桿；所述的檢測組件還包括與微控制器聯(lián)接的穩(wěn)壓模塊；所述的處理組件包括微處理器，及與微處理器聯(lián)接的通訊部件、顯示屏、控制按鈕、存 儲器和電源模塊；所述的通訊部件與檢測組件的通訊模塊通訊聯(lián)接。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的超聲波接收電路包括前置放大電路、帶 通濾波電路和信號變換電路；所述的微處理器還聯(lián)接有用于測試和編程的JTAG接口 ；所述 的電源模塊包括作為備用電源的充電電池。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的微處理器還聯(lián)接有打印接口 ；所述的通 訊部件包括RS485通訊接口 ；所述的通訊模塊包括RS 485通訊接口 。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的通訊部件還包括與上位機(jī)通訊聯(lián)接的以 太網(wǎng)接口。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的前置放大電路由集成運(yùn)放組成的自舉式 同相交流放大電路；所述的檢測組件還包括發(fā)送和接收一體化的防水式壓電陶瓷超聲波傳 感器。
本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的微處理器還聯(lián)接有指示燈和蜂鳴器。本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的壓電陶瓷超聲波傳感器為TCF40-25T/R 型；所述的微處理器為LPC2220型芯片。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的前置放大電路還包括儀表放大器 AD620。 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)內(nèi)容為所述的檢測組件設(shè)有若干個。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本實(shí)用新型因采用設(shè)定距離的標(biāo)準(zhǔn)桿 作為參考對象進(jìn)行超聲波測距，減少了外部環(huán)境對超聲波測距的干擾，從而減少了后期的 溫度、氣壓等補(bǔ)償電路，使本實(shí)用新型的檢測組件(一次儀表)結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高。另 外本實(shí)用新型的處理組件(二次儀表)采用高性能低成本的LPC2220芯片作為微處理器， 配有JTAG接口 、打印接口和RS485接口 ，能方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)接；具有良好的擴(kuò)展 性能。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

圖1為本實(shí)用新型超聲波明渠流[0021]圖2為本實(shí)用新型超聲波明渠流[0022]圖3為本實(shí)用新型超聲波明渠流[0023]圖4為本實(shí)用新型超聲波明渠流[0024]附圖標(biāo)記說明[0025]1量水堰槽 220微控制器 2122超聲波發(fā)射電路24穩(wěn)壓模塊26超聲波傳感器3處理組件31通訊部件
計(jì)具體實(shí)施例的方框結(jié)構(gòu)圖； 計(jì)具體實(shí)施例的測距公式輔助示意圖； 計(jì)具體實(shí)施例之超聲波發(fā)射電路原理圖； 計(jì)具體實(shí)施例之超聲波接收電路原理圖。
檢測組件
通訊模塊 23 超聲波接收電路 25 電池
30 微處理器 32 LCD顯示屏[0032]33控制按鈕34存儲器35電源模塊350充電電池36JTAG接口37打印接口38蜂鳴器39指示燈4標(biāo)準(zhǔn)桿5上位機(jī)
具體實(shí)施方式為了更充分理解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型的技 術(shù)方案進(jìn)一步介紹和說明。 如圖1至圖4所示，本實(shí)用新型一種超聲波明渠流量計(jì)，其包括量水堰槽1 、設(shè)于量 水堰槽1上方的檢測組件2和與檢測組件2通訊聯(lián)接的處理組件3 ;檢測組件2包括微控制 器20，及與微控制器20聯(lián)接的通訊模塊21、超聲波發(fā)射電路22和超聲波接收電路23 ;檢 測組件2與量水堰槽1的被測液面之間增設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)桿4 ;檢測組件2還包括與微控制器20 聯(lián)接的穩(wěn)壓模塊24 ;處理組件3包括微處理器30，及與微處理器30聯(lián)接的通訊部件31、顯 示屏32、控制按鈕33、存儲器34(包括Flash和RAM)和電源模塊35 ;通訊部件31與檢測 組件2的通訊模塊21通訊聯(lián)接(可以采用常用的RS 485或者RS 232通訊)。檢測組件2 還包括發(fā)送和接收一體化的超聲波傳感器26 (又稱為"探頭")。該超聲波傳感器為防水式 壓電陶瓷超聲波傳感器，在實(shí)施例中，壓電陶瓷超聲波傳感器為TCF40-25T/R型。超聲波傳 感器的中心諧振頻率為40KHZ， 10V的發(fā)射聲壓為100dB，接收的靈敏度大于_55(18，工作電 壓5-65V，探測距離為0. 2-12米。 如圖2所示，由單片機(jī)(微控制器20)激勵探頭(超聲波傳感器)中的壓電晶體發(fā) 射超聲波信號，并在發(fā)射時刻同時啟動單片機(jī)內(nèi)部定時器開始計(jì)時，該超聲波信號在空氣 中傳播，遇到標(biāo)準(zhǔn)桿(圖2中的標(biāo)準(zhǔn)反射體)處，其中一部分產(chǎn)生第l次反射回波，而其余部 分繼續(xù)在空氣中傳播。反射部分反方向傳播，進(jìn)入探頭，引起探頭晶片振蕩，產(chǎn)生聲能-機(jī) 械能-電能轉(zhuǎn)換，使探頭輸出第1個電信號，引起單片機(jī)第1次中斷。而在空氣中繼續(xù)傳播 的超聲波到達(dá)水面時，在氣液交界面產(chǎn)生第2次反射回波，反射回波反方向傳播反射到壓 電晶體上，使探頭輸出另一個電信號，引起單片機(jī)的第2次中斷。在中斷程序里，分別讀取 定時器的計(jì)數(shù)值，即為探頭從發(fā)射到接收標(biāo)準(zhǔn)桿和水面的反射回波的傳播時間t 1和t，根 據(jù)下面公式可算出探頭到液面的高度H : H = Hlt/tl h = H2-H-ha 式中，h為堰頂水頭，ha為堰高，H為探頭到液面的距離，H2為探頭到堰底的距離。 式中t為傳感器至液面的超聲波傳播時間，tl為傳感器至標(biāo)準(zhǔn)反射體之間的超聲波傳播時 間，Hl為探頭到標(biāo)準(zhǔn)桿的距離。以標(biāo)準(zhǔn)桿作為參考距離計(jì)算出來的堰槽內(nèi)的液位，可以減 少以超聲波速度的不確定性對測量距離造成的誤差。此為本實(shí)用新型重要的創(chuàng)新點(diǎn)。 由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號 非常的微弱，不能直接送到后級電路進(jìn)行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級 電路對它進(jìn)行正確的處理。如圖4所示，超聲波接收電路包括前置放大電路、帶通濾波電路 和信號變換電路；前置放大電路由集成運(yùn)放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，帶通濾波電路用以濾除環(huán)境噪聲，中心頻率為40KHZ，Q >= 25，后級放大電路采 用儀表放大器AD620。信號變換電路檢測放大之后的信號過零點(diǎn)，信號形式為矩形波形式， 該矩形波信號輸入單片機(jī)中斷引腳，作為超聲波傳輸時間計(jì)時用。 處理組件3的微處理器30還聯(lián)接有用于測試和編程的JTAG接口 36 ;電源模塊35 包括作為備用電源的充電電池350。微處理器30還聯(lián)接有打印接口 37 ;通訊部件31包括 RS485通訊接口和與上位機(jī)5通訊聯(lián)接的以太網(wǎng)接口 (可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的組網(wǎng))；通訊模 塊21包括RS485通訊接口 。 一次儀表與二次儀表采用RS485通訊方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、 傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。微處理器30還聯(lián)接有指示燈39和蜂鳴器38 (起報(bào)警和提示的作用)。 微處理器30為LPC2220型芯片。處理組件3的LCD顯示屏32可以采用觸摸式顯示屏，將 控制按鈕33采用可編程的觸摸式按扭，從而可人機(jī)友好的操作界面，微處理器內(nèi)部可采用 各種嵌入式操作系統(tǒng)(如ucos操作系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。 作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步創(chuàng)新，可以將處理組件與多個檢測組件通訊聯(lián)接，即用 一個處理組件對多個地點(diǎn)的流量檢測，可以節(jié)省處理組件(二次儀表)的采購成本，構(gòu)成一 個流量檢測網(wǎng)絡(luò)。 作為本實(shí)用新型的再進(jìn)一步創(chuàng)新，檢測組件與處理組件的通訊方式可以采用無線 通訊聯(lián)接方式，適合于環(huán)境惡劣的排污水等水位檢測場所。 綜上所述，本實(shí)用新型因采用設(shè)定距離的標(biāo)準(zhǔn)桿作為參考對象進(jìn)行超聲波測距， 減少了外部環(huán)境對超聲波測距的干擾，從而減少了后期的溫度、氣壓等補(bǔ)償電路，使本實(shí)用 新型的檢測組件(一次儀表)結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高。另外本實(shí)用新型的處理組件(二次 儀表)采用高性能低成本的LPC2220芯片作為微處理器，配有JTAG接口 、打印接口和RS485 接口 ，能方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)接；具有良好的擴(kuò)展性能。 以上所述僅以實(shí)施例來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，以便于讀者更容易理 解，但不代表本實(shí)用新型的實(shí)施方式僅限于此，任何依本實(shí)用新型所做的技術(shù)延伸或再創(chuàng) 造，均受本實(shí)用新型的保護(hù)。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求一種超聲波明渠流量計(jì)，其包括量水堰槽、設(shè)于量水堰槽上方的檢測組件和與檢測組件通訊聯(lián)接的處理組件；所述的檢測組件包括微控制器，及與微控制器聯(lián)接的通訊模塊、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路；其特征在于所述檢測組件與量水堰槽的被測液面之間增設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)桿；所述的檢測組件還包括與微控制器聯(lián)接的穩(wěn)壓模塊；所述的處理組件包括微處理器，及與微處理器聯(lián)接的通訊部件、顯示屏、控制按鈕、存儲器和電源模塊；所述的通訊部件與檢測組件的通訊模塊通訊聯(lián)接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的超聲波接收電路包括 前置放大電路、帶通濾波電路和信號變換電路；所述的微處理器還聯(lián)接有用于測試和編程 的JTAG接口 ；所述的電源模塊包括作為備用電源的充電電池。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的微處理器還聯(lián)接有打 印接口 ；所述的通訊部件包括RS485通訊接口 ；所述的通訊模塊包括RS485通訊接口 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的通訊部件還包括與上 位機(jī)通訊聯(lián)接的以太網(wǎng)接口 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的前置放大電路由集成 運(yùn)放組成的自舉式同相交流放大電路；所述的檢測組件還包括發(fā)送和接收一體化的防水式 壓電陶瓷超聲波傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的微處理器還聯(lián)接有指 示燈和蜂鳴器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的壓電陶瓷超聲波傳感 器為TCF40-25T/R型；所述的微處理器為LPC2220型芯片。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的前置放大電路還包括 儀表放大器AD620。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波明渠流量計(jì)，其特征在于所述的檢測組件設(shè)有若干
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超聲波明渠流量計(jì)，包括量水堰槽、設(shè)于量水堰槽上方的檢測組件和與檢測組件通訊聯(lián)接的處理組件；檢測組件包括微控制器，及與微控制器聯(lián)接的通訊模塊、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路；檢測組件與量水堰槽的被測液面之間增設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)桿；檢測組件還包括與微控制器聯(lián)接的穩(wěn)壓模塊；處理組件包括微處理器，及與微處理器聯(lián)接的通訊部件、顯示屏、控制按鈕、存儲器和電源模塊；通訊部件與檢測組件的通訊模塊通訊聯(lián)接。本實(shí)用新型減少了溫度、氣壓等補(bǔ)償電路，使檢測組件結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高。另外本實(shí)用新型的處理組件采用高性能低成本的微處理器，配有JTAG接口、打印接口和RS485接口，能方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)接；具有良好的擴(kuò)展性能。
文檔編號G01F1/66GK201527287SQ20092020440
公開日2010年7月14日 申請日期2009年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月29日
發(fā)明者劉豐, 龐莉, 王小仙, 王耀輝 申請人:宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司