一种超声波流量测量装置的制作方法

1.本实用新型属于超声波测量技术领域，具体涉及一种超声波流量测量装置。


背景技术：

2.现有技术中，一般采用超声波流量计(即超声波水表)测量农田灌溉的用水流量，该装置是利用超声波信号在水中的传播，信号受水流影响后，由于顺逆速度不一致导致的时间差，根据此时间差计量用水流量。其优点是，该装置不受外部光、电、磁等信号的干扰，测量精度对细小杂质不敏感，管段内部无任何机械结构，通水压力损失小，对水泵扬程基本无影响，该装置针对农水灌溉及类似应用场景进行性能优化及数据预处理，使装置的寿命、水质适用性及计量精度达到平衡。
3.目前，超声波测量装置中采用峰值检测电路进行高速ad采样，以获取小信号的峰值。峰值检测电路在处理小信号时，需要增加多个运放电路，以精准的控制放大增益，导致电路构成较为复杂，成本较高。并且，峰值检测电路为了实现高速ad采样，对ad器件的采样速率有较高要求，在功耗敏感应用场景也有一定的局限性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种超声波流量测量装置，用于解决现有装置电路构成复杂、成本较高的问题。
5.基于上述目的，一种超声波流量测量装置的技术方案如下：
6.超声波流量测量装置包括：两个超声波探头、测量芯片、可调放大电路、两个比较器和主控单片机；其中，测量芯片分别连接两个超声波探头，两个超声波探头均与可调放大电路的输入端连接，可调放大电路的输出端连接测量芯片，用于输出幅值合适的测量信号，测量芯片通信连接主控单片机，用于将测量数据发送至主控单片机；
7.所述可调放大电路的输出端还分别连接上限比较器和下限比较器，主控单片机分别采集连接上限比较器和下限比较器的输出端，用于比较可调放大电路输出的测量信号与设定的上限值、下限值之间的大小；主控单片机控制连接可调放大电路，用于判断可调放大电路输出的测量信号是否在设定的上限值和下限值之间，并控制可调放大电路的放大增益，使输出测量信号的幅值保持在上限值和下限值之间。
8.上述技术方案的有益效果是：
9.本实用新型的测量原理简单，器件构成也不复杂，不需要精准控制放大增益，仅通过设置两个比较器，再结合单片机的判断，控制可调放大电路的放大增益，就能够将最终输出测量信号的幅值调整至合适的幅值。本装置对流体水质变化的适应性较强，不管流体水质如何变化，即检测的原始信号幅值如何变化，都能够进行快速的适应性调节，效果好，且装置成本较低，实用性强。
10.进一步的，作为可调放大电路的一种实现方式，可调放大电路包括数字电位器u3、运算放大器u4，数字电位器u3的输出端w连接运算放大器u4的反向输入端，运算放大器u4的
同向输入端连接有一个由电阻r1、电阻r2构成的分压支路，运算放大器u4的输出端分别连接所述上限比较器、下限比较器及测量芯片，运算放大器u4的输出端还连接数字电位器u3的输入端口a，数字电位器u3的输入端口b用于接收其中一个探头采集的测量信号，数字电位器u3的控制端口sda、控制端口scl连接所述的主控单片机。
11.进一步的，为了实现测量信号的正向检测和反向检测，所述可调放大电路的输入端和两个探头的输出端之间还连接有模拟开关u2，模拟开关u2的常闭端nc端连接探头l1，模拟开关u2的常开端no端连接探头l2，模拟开关u2的控制端n1与测量芯片连接，该控制端n1用于对模拟开关u2进行切换，选择控制模拟开关u2的公共端com的输出信号为探头l1检测的测量信号，或为探头l2检测的测量信号。
12.进一步的，所述主控单片机还连接有显示模块，显示模块为液晶显示器，用于显示当前用水流量值。
13.进一步的，所述主控单片机还连接有按键模块，用于进行人机交互设置。
14.进一步的，为了实现数据的远传，所述主控单片机还连接有通信模块，通信模块用于与后台服务器进行通信，传输流量监测数据。
15.进一步的，为了降低装置的功耗，所述主控单片机还连接有电源管理模块，用于在长时间不需要进行用水时，控制装置进行休眠。
附图说明
16.图1是本实用新型实施例中的超声波流量测量装置示意图；
17.图2是本实用新型实施例中的信号增益反馈、控制部分电路图；
18.图3是本实用新型实施例中的信号自适应调整流程图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。
20.本实施例提出一种超声波流量测量装置，其构成框图如图1所示，该装置主要包括：两个超声波探头(探头l1和探头l2)、测量芯片、可调放大电路、两个比较器和主控单片机。其中，测量芯片分别连接探头l1和探头l2的控制端，探头l1和探头l2的输出端均与可调放大电路的输入端连接，可调放大电路的输出端连接测量芯片，用于输出幅值合适的测量信号，测量芯片通信连接主控单片机，用于将测量信号发送至主控单片机。
21.图1中，可调放大电路的输出端分别连接两个比较器，分别为上限比较器和下限比较器，主控单片机采集连接两个比较器的输出端，用于比较可调放大电路输出的测量信号是否在上限值和下限值之间。并且，主控单片机控制连接可调放大电路，用于控制可调放大电路，使其调整信号放大增益，输出幅值合适的测量信号，即使该测量信号的幅值保持在上限值和下限值之间。
22.上述测量装置的工作过程包括：
23.正向检测：测量芯片向探头l1发出激励信号，控制探头l1将电信号转换为超声波信号，由探头2接收超声波信号，并转换为电信号形式的测量信号，由于该信号是个微弱信号，经过可调放大电路，按照提前设置的放大增益，对该测量信号进行放大。
24.放大后的测量信号vo分别送入上限比较器和下限比较器，进行比较，其中，上限比
较器中设置的比较阈值为上限值vref1，下限比较器中设置的比较阈值为下限值vref2，二者大小关系为vref1》vref2，两个比较器将比较结果发送给主控单片机，由单片机进行判断，如果放大后的测量信号在上限值和下限值之间，即vref2≤vo≤vref1，则判定为该测量信号的幅值大小合适。
25.如果放大后的测量信号不在上限值和下限值之间，即vo》vref1或vo《vref2，则判定该测量信号的幅值大小不合适，需要调节可调放大电路的放大增益，单片机根据测量信号超出上限值与下限值之间这个范围的幅度，确定控制减小或增大放大增益，并将控制指令发送给可调放大电路。
26.可调放大电路根据主控单片机的控制指令，改变放大增益后，按照上述过程，对测量信号进行重新测量，直到可调放大信号输出的测量信号在vref2≤vo≤vref1范围内。
27.反向检测：与上述正向检测的原理相同，不同之处在于，本次测量需要测量芯片向探头l2发出激励信号，控制探头l2将电信号转换为超声波信号，由探头l1接收超声波信号，并转换为电信号形式的测量信号，并根据上面正向检测的内容进行测量信号的幅值调节。
28.图1中，主控单片机还分别连接有显示模块、按键模块、通信模块和电源管理模块，其中，显示模块为液晶显示器，用于显示当前流量值；按键模块用于进行人机交互设置，通信模块用于与后台服务器进行通信，传输流量监测数据；电源管理模块用于进行在长时间不需要进行用水灌溉农田(或不需用水)时控制装置进行休眠，以降低功耗，节约用电。
29.对应图1装置的信号增益反馈、控制部分电路如图2所示，u6为主控单片机，采用mcu实现，u8为测量芯片，u5为上限比较器，u7为下限比较器，vref1和vref2通过分压电路实现(图中未画出)。
30.图2中，可调放大电路包括数字电位器u3、运算放大器u4，数字电位器的输出端w连接运算放大器u4的反向输入端，u4的同向输入端连接有一个由电阻r1、r2构成的分压支路，u4的输出端一方面连接后级的两个比较器及测量芯片(通过电容c2、c3连接该测量芯片)，另一方面，u4的输出端还连接数字电位器u3的输入端口a，数字电位器u3的输入端口b用于接收探头采集的测量信号，数字电位器u3的控制端口sda、scl连接mcu(u6，即主控单片机)。
31.该数字电位器的控制原理为：mcu通过端口sda、scl下发控制指令，数字电位器接收控制指令，控制端口w，调整抽头w处于ab电阻的位置，使阻值aw和bw的阻值比在一个设定范围内变化，以改变放大电路的增益。最终，使可调放大电路输出的信号幅值在vref1-vref2之间。
32.图2中，可调放大电路的输入端和探头的输出端之间还连接有模拟开关u2，u2的常闭端nc连接探头1(图1中的l1)，u2的常开端no连接探头2(图1中的l2)，u2的n1端为控制端，与测量芯片连接，该控制端用于对模拟开关进行切换，选择控制u2的公共端com的输出信号为探头l1检测的测量信号，或为探头l2检测的测量信号。
33.为了有效抵抗干扰导致的错波，更合理的提高装置的计量采样精度，提供一种快速的信号自适应调整流程如图3所示，超声波信号随水质不同，有不同的衰减，根据测量芯片获取的信号质量，信号较差，调节步进大，快速调整到期望值，信号一般时，调节步进小，进行精确调整，兼顾调整速度及调整精度，始终让本装置信号工作在最佳水平，具体为：设定首波脉宽比为λ，界限值k1，k2，k3，k4，满足k1》k2》k3》k4；当λ》k1或者λ《＝k4时，认为信号较差，调节步进为n个最小步进单位，快速向目标区间调整；当λ《＝k1且λ》k2，或者λ《＝k3且
λ》k4时，认为信号一般，调节步进为1个最小步进单位，精确的向目标区间调整；当λ《＝k2且λ》k3时，认为信号处于最佳区间。
34.本实用新型的超声波测量装置具有以下优点：无需精准控制放大增益，仅要求接收信号在一定范围区间(即上限值和下限值之间)即可，通过单片机调整控制放大电路的增益，以达到适应复杂的流体环境导致的信号变化。
35.该电路与通常的峰值检波电路相比，电路简单，不受信号幅值大小限制；与高速采样的峰值检测电路相比，本实用新型无需高带宽的ad转换电路，成本低，数据处理量小，功耗低，且在对保证信号幅值在一定范围的应用方面具有明显优势。
36.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。