CN203405242U - 一种用于超声波燃气表的检测电路及其超声波燃气表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于超声波燃气表的检测电路及其超声波燃气表，所述检测电路包括测量电路模块、处理器模块、传感器控制模块、信号调理模块和显示模块；测量电路模块的输出端与传感器控制模块的输入端相连，传感器控制模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输入端反馈至测量电路模块；处理器模块分别与传感器控制模块、测量电路模块、信号调理模块和显示模块相连；传感器控制模块还连接上游超声波传感器和下游超声波传感器。本实用新型还提供一种使用所述检测电路的超声波燃气表，解决超声波燃测量精度与增宽气体流道存在矛盾的问题，在不增加现有燃气表体积和质量的前提下，提高超声波燃气表的检测精度。

Description

一种用于超声波燃气表的检测电路及其超声波燃气表

技术领域

本实用新型涉及燃气仪表技术领域，具体涉及一种用于超声波燃气表的检测电路及其超声波燃气表。 

背景技术

现有技术中，目前常用的家用燃气表主要为膜式燃气表，其计量精度受温度和压力的影响很大。随着科学技术的发展，超声波燃气表应运而生，它是采用新型的测量技术，与传统燃气表相比，具有不接触被测介质，精度高，稳定性好，大量程比特征，构造简单、机械性可动部分少，体积小，重量轻等优点。 

例如：CN101629838公开了一种超声波燃气表，包括表体，所述表体内设置有超声波检测装置，超声波检测装置包括主控模块、数据采集模块、显示模块、电源模块以及超声波传感器一、超声波传感器二；所述的超声波传感器一、超声波传感器二都与数据采集模块相连，并分别设置在表体的管道腔体内燃气流通路径的上游和下游，超声波传感器一、超声波传感器二分别用于向对方发射超声波信号和接收对方的超声波信号；数据采集模块用于采集超声波传感器一、超声波传感器二接收到的信号，将信号数据转换成数字量传给主控模块；显示模块与主控模块连接，用于显示燃气表的流量信息和报警信息；主控模块用于处理数据采集模块传送过来的数据并得到燃气的流量，同时控制显示模块的显示。它通过在燃气表内设置超声波检测装置来测定燃气的流量，并显示在显示模块上，整个超声波检测装置大都集成在一个电路板上，具有体积小，重量轻的特点。这种燃气表气体流道内水平设置了多层隔板，这种隔板的设置是为了尽可能地使气体流道在流露中的流动受到相对相同的阻力，流动速度相对均匀从而提高流量检测的准确性，但是这种气体流道的加工工序复杂、气体流道结构复杂，且只要有一层隔板损坏或者最初安装有问题就很可能导致计量严重的不准确。 

现有的超声波燃气表为了提高超声波燃气表测量精度，通常采用增宽气体流道，增大上游超声波传感器和下游超声波传感器检测时间差的手段，减少误差对测量准确性的影响。这种增宽气体流道的方式，虽然能在一定程度上提高检测精度，由于增宽气体流道使燃气表的体积和重量也相应地增加，从而安装时需要占用更大的空间，使安装很不方便。另外，由于超声波的传输速度较大，因此通过增宽气体流道带来的检测时间差的增加量有限，检测精度的提高量也非常有限。 

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是在现有基础上，进一步提高超声波燃气表的检测精度，避免通过增宽气体流道来改善，而提供一种用于超声波燃气表的高精度检测电路。 

本实用新型还提供一种超声波燃气表，解决超声波燃测量精度与增宽气体流道存在矛盾的问题，在不增加现有燃气表体积和质量的前提下，提高超声波燃气表的检测精度，还提供了多种智能功能。 

实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，包括测量电路模块、处理器模块、传感器控制模块、信号调理模块和显示模块；测量电路模块的输出端与传感器控制模块的输入端相连，传感器控制模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输入端反馈至测量电路模块；处理器模块分别与传感器控制模块、测量电路模块、信号调理模块和显示模块相连；所述传感器控制模块还连接传感器模块，传感器模块具有信号检测端并设置在表体的气体流道内，传感器模块包括上游超声波传感器和下游超声波传感器；上游超声波传感器和下游超声波传感器分别向对方发射超声波信号和接收对方的超声波信号；所述信号调理模块包括依次连接的匹配电路、滤波电路和放大电路；传感器模块的信号输出端与匹配电路的输入端通信连接，放大电路的信号输出端与测量电路模块的信号输入端通信连接。 

作为优化，所述显示模块为LCD显示器，用于显示超声波燃气表的燃气流量、瞬时流量及累计流量、电源电压状态、气体流向状态以及报警信息。 

作为优化，所述处理器模块还连接有阀门驱动模块，阀门驱动模块连接燃气表的阀门。 

作为优化，所述处理器模块还连接有无线M-BUS模块50，所述无线M-BUS模块用于向燃气公司传输天然气表读表数据。 

作为优化，所述处理器模块还连接有IC卡读写模块。 

作为优化，所述处理器模块还连接有防盗监测模块。 

作为优化，所述处理器模块还连接有温度补偿模块，所述温度补偿模块用于根据温度变化对燃气流量进行校准。 

作为优化，所述处理器模块还连接有IRDA红外通讯模块。 

还提供了一种超声波燃气表，包括壳体、气体流道和超声波检测电路；该气体流道的横截面是矩形结构，所述矩形结构的长度为15mm~300mm，宽度为3mm~100mm，超声波燃气表的超声波检测电路采用上述技术方案中任意一种方案。 

作为上述超声波燃气表的优化，所述壳体外置有碱性电池盒与通信接口。 

相比现有技术，本实用新型具有以下优点： 

1、本实用新型用于超声波燃气表的检测电路，测量电路模块发出脉冲给传感器模块，使得传感器控制模块驱动其中上游传感器发出信号，当信号到达至下游传感器时，传感器控制模块则控制下游传感器接收信号，然后信号传递至信号调理模块，经过匹配滤波、放大后得到清晰的超声波信号传递至测量电路模块，测量电路测量出超声波到达的顺流时间。传感器控制模块可切换上下游传感器收发状态，如此则可得到超声波信号到达的逆流时间，测量电路将顺逆流时间传送至处理器模块，经过计算转换处理器模块将转换成的流量体积显示在LCD显示模块上。它具有精度高、稳定性和可靠性好的特点。

2、采用本实用新型检测电路用于超声波燃气表，具有非接触式测量，无机械磨损和安装简单的特点。由于采用了上述检测电路，改变了现有技术中减少检测误差的手段，不需要增加气体流道的宽度，从而减小了燃气表的体积和重量，使得其安装更为方便。具有易于生产，且扩展性强、***升级方便。　　 

3、本实用新型提供的超声波燃气表由于气体流道采用了横截面是矩形结构，避免使用了多层隔板，使气体流道的结构简单，加工工序简单，同时还减少了机械部件少，从而整体上缩小了超声波燃气表的体积小，减轻了其重量、

4、当发生地震或大楼震动时，燃气表内部震动模块会显示在显示屏上并发出蜂鸣警示。

5、无线M-BUS模块可实现燃气公司手持设备无线抄表功能，同时IC卡模块可实现预付费功能。 

6、燃气表与外部进行信息传递的时候数据加密，保障了用户的安全性与私密性。 

7、可通过IRDA红外通讯模块实现无线固件升级，燃气公司可用远程无线的方式对燃气表内部功能进行软件升级。 

附图说明

图1是本实用新型用于超声波燃气表检测电路的原理方框图,其中，A和B分别指上上游超声波传感器和下游超声波传感器。 

图2是本实用新型用于超声波燃气表检测电路的一种具体实施例的原理框图。 

图3是一种超声波燃气表气体流道及传感器的安装示意图。 

图中，气体流道本体1、气体流道2、第一安装孔4、安装大孔41、安装小孔42、第二安装孔5、主控模块10、处理器模块11、传感器控制模块12、信号触发模块13、测量电路模块14、信号调理模块15、放大电路151、滤波电路152、匹配电路153、传感器模块20、显示模块30、阀门驱动模块31、无线M-BUS模块32、IC卡读写模块33、防盗监测模块34、电源管理模块35，温度补偿模块36，IRDA红外通讯模块37。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。 

如图1所示，一种用于超声波燃气表的检测电路，包括测量电路模块14、处理器模块11、传感器控制模块12、信号调理模块15和LCD显示模块30；测量电路模块14的输出端与传感器控制模块12的输入端相连，传感器控制模块12的输出端与信号调理模块15的输入端相连，信号调理模块15的输入端反馈至测量电路模块14；处理器模块11分别与传感器控制模块12、测量电路模块14、信号调理模块15和LCD显示模块30相连；所述传感器控制模块12还连接上游传感器和下游传感器；所述信号调理模块15包括匹配电路153、滤波电路152和放大电路151。 

测量电路模块14发出脉冲给传感器模块20，使得传感器控制模块12驱动其中上游传感器发出信号，当信号到达至下游传感器时，传感器控制模块12则控制下游传感器接收信号，然后信号传递至信号调理模块15，经过匹配滤波、放大后得到清晰的超声波信号传递至测量电路模块14，测量电路模块14测量出超声波到达的顺流时间。传感器控制模块12可切换上下游传感器收发状态，如此则可得到超声波信号到达的逆流时间，测量电路模块14将顺逆流时间传送至处理器模块11，经过计算转换处理器模块11将转换成的流量体积显示在LCD显示模块30上。它具有精度高、稳定性好的特点。 

实施例1：参见图2，一种用于超声波燃气表的检测电路，包括主控模块10、传感器模块20、显示模块30、阀门驱动模块31和电源管理模块35；主控模块10分别与传感器模块20和显示模块30通信连接，显示模块30为LCD显示器，主要显示内容有：流量信息、瞬时流量及累计流量、电源电压状态、气体流向状态以及报警信息等。 

所述主控模块10由处理器模块11、传感器控制模块12、信号触发模块13、测量电路模块14和信号调理模块15构成；处理器模块11分别与传感器控制模块12、信号触发模块13和测量电路模块14通信连接，处理器模块11用于向传感器控制模块12发出超声波信号收发切换控制指令，还用于向信号触发模块13发出超声波触发信号控制指令；处理器模块11还用于控制电源管理模块35为超声波检测装置中的各模块供电，只有当各模块工作的时候才供电，不工作的时候就休眠。处理器模块11具备存储计量数据功能。 

传感器模块20具有信号检测端并设置在表体的气体流道2内，传感器模块20包括上游超声波传感器和下游超声波传感器，上游超声波传感器和下游超声波传感器的检测探头分别设置在表体的气体流道2内气流路径的上游和下游，上游超声波传感器和下游超声波传感器分别向对方发射超声波信号和接收对方的超声波信号。传感器模块20还具有控制信号输入端、触发信号输入端和信号输出端；传感器控制模块12的控制信号输出端与传感器模块20的控制信号输入端通信连接，传感器控制模块12用于向传感器模块20发出超声波信号收发切换控制指令。 

信号触发模块13的触发信息输出端与传感器模块20的触发信号输入端通信连接，信号触发模块13用于向传感器模块20发出超声波触发信号。 

信号调理模块15包括依次通信连接的匹配电路153、滤波电路152和放大电路151，传感器模块20的信号输出端与匹配电路153的输入端通信连接，放大电路151的信号输出端与测量电路模块14的信号输入端通信连接。 

本实用新型涉及的匹配电路153、滤波电路152、放大电路151、信号触发模块13、测量电路模块14和处理器模块11均可采用现有成熟技术，并非本实用新型的创新之处。处理器模块11采用现有技术的单片机。其中，单片机采用的算法和程序均采用现有技术。本实用新型不涉及对算法的改进。测量电路模块14采用现有技术公开的内容即可实现其功能。 

处理器模块11连接有阀门驱动模块31，阀门驱动模块31连接燃气表的阀门，当燃气表检测到燃气流量异常或者电源管理模块35电压欠压时，处理器模块11就通过阀门驱动模块31控制阀门关闭通气管道，停止供气；当燃气流量以及电源电压恢复正常后，处理器模块11就控制阀门打开通气管道，恢复供气。 

进一步，处理器模块11还连接有无线M-BUS模块32，无线M-BUS模块32用于向燃气公司传输天然气表读表数据。 

进一步，处理器模块11还连接有IC卡读写模块33。IC 卡读写模块60用于 IC 卡与燃气表进行信息传递，用户可以通过燃气公司预先缴纳燃气费用，然后燃气公司向 IC 卡写入缴费信息，用户通过IC 卡与燃气表信息交换实现燃气的通断，从而实现燃气表的预付费功能。 

进一步，处理器模块11还连接有防盗监测模块34。当燃气表发生异常时，或掉电或存贮气量不足时，或有人拆卸燃气表，或者燃气表所装大楼发生震动，或发生地震时，处理器模块11控制防盗监测模块34发出蜂鸣器报警声音，提请用户注意。 

进一步，处理器模块11还连接有温度补偿模块36，温度补偿模块36用于根据温度变化对燃气流量进行校准。由于在实际燃气流量监测过程中，很多因素都会影响到检测结果，其中温度对检测结果的影响最大，为此，在处理器模块11上还连接了温度补偿模块36，尽可能地减少温度变化对燃气流量检测准确性的影响。温度补偿模块中设置一个补偿高温T_max和补偿低温T_min，当检测到进入气体流道2内的气体温度高于T_max或低于T_min时，温度补偿模块向处理器模块11发送补偿信号，处理器模块11接收到的补充信号后，根据公式（5）对检测的气体流量进行补偿校准。 

（5） 

其中Q₁为校正以后的流量，Q为按照公式（4）计算得到的流量值，K和B为校正参数，其中K和B为两组，一组为当进入气体流道2的温度高于T_max时的，一组为当进入气体流道2的温度低于T_min时的；具体K和 B的两组值可以在检定表具的时候确定，检测当进入气体流道2内的燃气的温度高于T_max时，或当进入气体流道2内的燃气的温度低于T_min时，分别向燃气表输入多组不同的燃气流量，测出多组理论计算值，得到多组燃气流量的实际值和理论计算值后，可以通过最小二乘法或者曲线拟合法等确定最佳的两组校正参数K和B的值。

具体实施时，当温度补偿模块36检测到进入气体流道2内的气体温度高于T_max或低于T_min时，处理器模块11根据接收到的补充信号，选择校正参数K和B的值，再根据公式（5）对流量进行校正。 

进一步，处理器模块11还连接有IRDA红外通讯模块37。IRDA红外通讯模块37用于通过红外线使数据在外部其他构件与处理器进行数据传输，在根据处理器的控制实现燃气表内与处理器连接的其他固件的无线升级，燃气公司还可对燃气表内，比如处理器模块11的软件算法等进行软件升级。 

为了防止燃气表与燃气公司或其他设备进行数据通信时，燃气表用户信息泄漏，采用AES数据加密技术对燃气表输出数据进行加密。 

实施例2：如图3所示，一种超声波燃气表，包括壳体、气体流道2和超声波传感器，壳体内设置有实施例1中的超声波检测电路。壳体内设有气体流道本体1，流道本体1的一端设置有圆形的进气孔，另一端设置有出气孔，进气孔与出气孔通过设置在流道本体1内部的气体流道连通，进气孔的直径在15mm~80mm之间，气体流道2的横截面是矩形结构，该矩形结构的长度为15mm~300mm，宽度为3mm~100mm，面积在45平方毫米（mm²）到30000平方毫米（mm²）之间；进气孔的直径在15mm到80mm之间，进气孔的面积与气体流道的横截面面积之比值在0.1到1之间；气体流道的横截面积与圆形进气孔的面积是相关联的，保证了气流以适当速度通过流道而不形成紊流、涡流，以保证测量精度。壳体外置有碱性电池盒与通信接口。将碱性电池盒置于壳体外侧更便于安装和拆卸。 

气体流道2的两侧对应设有安装上游超声波传感器和下游超声波传感器的第一安装孔4和第二安装孔5，所述安装孔都为阶梯孔结构。壳体外置有碱性电池盒与通信接口，易于更换电池与通信调试。其中，气体流道2的第一安装孔4和第二安装孔5，都为阶梯孔结构，外部是安装大孔41，内部是安装小孔42，外部的安装大孔41用于安装上游超声波传感器，内部的安装小孔42在上游超声波传感器发射超声波时让超声波通过，下游超声波传感器安装在第二安装孔5的外部安装大孔41中，第一安装孔4和第二安装孔5的中心线相重合，中心线的连线为图3中所示的A—A线，与气体流道2的中心线（图中所示的B—B线）之间的夹角β，上游超声波传感器和下游超声波传感器的检测端分别设置在表体的气体流道2内气流路径的上游和下游，上游超声波传感器向下游超声波传感器发出超声波，下游超声波传感器接收到的该超声波的时间为T ₁ ， T ₁ 即为超声波从上游到下游的传送时间，测量电路模块14可通过式（1）计算得到；相反方向，下游超声波传感器向上游的超声波传感器发出超声波，上游超声波传感器接收到该超声波的时间为T ₂ ，T ₂ 即为超声波从下游到上游的传送时间，测量电路模块14通过式（2）计算得到。 

（1）； 

（2）；

其中，L为上游超声波传感器与下游超声波传感器之间超声波的传播距离，C 为超声波在没有气体流动时的在气体流道2内的传播速度。

根据式（1）和式（2）得到的T ₁ 和T ₂ ，处理器模块11通过式（3）可计算得到气体流道2内的燃气流速 U： 

（3）；

设气体流道2的截面积为 S，气体流动时间为 T，则处理器模块11可通过式（4）计算得到燃气表的流量 Q：

（4）。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行的修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，包括测量电路模块（14）、处理器模块（11）、传感器控制模块（12）、信号调理模块（15）和显示模块（30）；测量电路模块（14）的输出端与传感器控制模块（12）的输入端相连，传感器控制模块（12）的输出端与信号调理模块（15）的输入端相连，信号调理模块（15）的输入端反馈至测量电路模块（14）；

处理器模块（11）分别与传感器控制模块（12）、测量电路模块（14）、信号调理模块（15）和显示模块（30）相连；

所述传感器控制模块（12）还连接传感器模块（20），传感器模块（20）具有信号检测端并设置在表体的气体流道（2）内，传感器模块（20）包括上游超声波传感器和下游超声波传感器；上游超声波传感器和下游超声波传感器分别向对方发射超声波信号和接收对方的超声波信号；

所述信号调理模块（15）包括依次连接的匹配电路（153）、滤波电路（152）和放大电路（151）；传感器模块（20）的信号输出端与匹配电路（153）的输入端通信连接，放大电路（151）的信号输出端与测量电路模块（14）的信号输入端通信连接。

2.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述显示模块（30）为LCD显示器，用于显示超声波燃气表的燃气流量、瞬时流量及累计流量、电源电压状态、气体流向状态以及报警信息。

3.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有阀门驱动模块（31），阀门驱动模块（31）连接燃气表的阀门。

4.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有无线M-BUS模块（32），所述无线M-BUS模块（32）用于向燃气公司传输天然气表读表数据。

5.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有IC卡读写模块（33）。

6.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有防盗监测模块（34）。

7.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有温度补偿模块（36），所述温度补偿模块（36）用于根据温度变化对燃气流量进行校准。

8.根据权利要求1所述用于超声波燃气表的检测电路，其特征在于，所述处理器模块（11）还连接有IRDA红外通讯模块（37）。

9.一种超声波燃气表，包括壳体、气体流道（2）和超声波检测电路；其特征在于，所述气体流道（2）横截面是矩形结构，所述矩形结构的长度为15mm~300mm，宽度为3mm~100mm，所述超声波检测电路采用权利要求1～8任一种。

10.根据权利要求9所述超声波燃气表，其特征在于，所述壳体外置有碱性电池盒与通信接口。

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