CN104729764A - 一种超小型手持式超声波热量流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超小型手持式超声波热量流量测量装置，包括超声波收发模块、液体测量模块、温度测量模块、ARM控制器、液晶显示模块、键盘输入模块、蓝牙串口模块以及电源管理电路。本发明采用超声波收发对称的控制电路，进一步减少了超声波测量的零点漂移，同时优化了系统的精度。

Description

一种超小型手持式超声波热量流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种超小型手持式超声波热量流量测量装置。

背景技术

国外对流量计标定的研究比较发达，具有代表性的主要有以下几个：

A、美国国家流量标准研究所主要研究气体和液体流量装置，该研究所得水流量检定装置作为美国最高标准，用于量值传递和科学研究，所采用的方法是称量法。装置的精度等级为0.13级，该检定装置无水塔。

B、德国国家物理实验室（PTB）建造的一套高精度液体流量标准装置所采用的也是称量法，最大流量为2100m³／h。装置采用了双翼片式换向器，并考虑了很多影响称重部分不确定度的外界因素。该装置的扩展不确定度优于0.02%，称重系统的扩展不确定度优于0.01%。PTB另外一套可控温德动/静态质量法水流量标准装置，温度范围30-90℃，流量测量范围是3-1000 m³／h，其扩展不确定度优于0.04%。

C、英国工程研究所作为英国的最高标准，采用的是称量法，其装置的每个称量容器都安放在由机械秤和电子秤结合而成的双重称量装置上，该装置精度为0.2级。测量采用静态容积法和称量法。在中等流量范围内重复性标准误差小于1.2×10 ^-4。该装置的总误差是＜5×10 ^-4，其置信度为99%。

此外，匈牙利FLOMET公司以科里奥利质量流量计作为标准表，获得了优于0.01%的重复性，巴西建造了一套用三台涡轮流量计作标准表的水流量标准装置，还有法国和挪威等也建造了一定规模的测试和计量装置，进行标定技术方面的试验和研究。这些国家在技术上多采用闭环恒温控制，控制系统主要依赖人工操作，手动步骤较多，软件界面使用DOS操作系统，技术虽然比较成熟，但人机操作界面不够友好，不利于当前快节奏、高效率的生产流程。近年来普遍采用“组态王”为工控软件的自动给检定系统，提高了工作效率。

国内发展现状：

我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂（上海光华仪表厂前身）所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，20世纪60年代开始有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。现在我国的仪器仪表行业已经形成门类品种比较齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲除日本以外第二仪器仪表生产国。

目前，我国关于液体流量测量的手段已经基本满足需要，但相应的标准装置技术水平还不尽人意，致使我国现有流量测量产品的规格、精确度和可靠性尚不能满足国内某些市场的需求，一些新型的流量计，如涡轮流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计、超声波流量计、科里奥利质量流量计等的技术水平与国际先进水平还有较大的差距。其中国内处于领先水平的流量计检定研究如下：

A、国家水大流量计量站是国家投资建立的国家最大的流量仪表测试基地。该计量站流量实验室拥有世界最大的恒水头静态容积法水流量标准装置，流量范围：（200~16000）m³／h；准确度等级为0.1级。

B、浙江省质量技术监督检测研究所在1993年由当时的浙江省计量测试技术研究所和浙江省产品质量检验所合并而成，目前主要检测设备有公称口径300mm以下的静态水流量标准装置，装置采用的是容积法。

C、上海艾默生过程控制有限公司有一套高精度的标准检定装置，该装置采用串联两台科氏力质量流量计方式的标准表法流量检定装置，在恶劣环境下装置的最佳测量能力仍能达到0.013%（质量流量测试）或0.020%（体积流量测试）。

D、北京计量测试所自行研制了一套水流量标准检定装置，采用容积法流量标准装置，该装置测量范围是4-1200m³／h，准确度达±0.05%，整个标准装置的标定，数据采集和数据处理都自动完成，在国内居领先地位。

流量测试的重要性不言而喻。为了满足不同流体流量测试的需要，各种流量计被不断研制和推出。随着对流量精度要求的不断提高，对流量计的标定系统也提出了更高的要求。

发明内容

本发明设计了一种超小型手持式超声波热量流量测量装置，其解决的技术问题是目前现有流量计标定系统多运用容积法流量标准装置标定，一方面该容积法受温度，压力的影响比较大，在标定过程中必须根据实际额工作环境对标定结果进行必要的修正，从而影响标定精度，另一方面，静态容积法的标定精度时最高的，但运用到实际的在线标定工作中，这种方式是不实用的，并且静态法耗时长，不容易实现自动化。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种超小型手持式超声波热量流量测量装置，包括超声波收发模块、液体测量模块、温度测量模块、ARM控制器、液晶显示模块、键盘输入模块、蓝牙串口模块以及电源管理电路，其特征在于：

超声波收发模块包括上游的传感器探头（31）、下游的传感器探头（32）以及超声波发送和接收电路，上游的传感器探头（31）和下游的传感器探头（32）设置在被测管道（1）外壁上，上述三者形成同步切换和完全对称设计的上、下游超声波收发环路，具有高的噪声抑制性能，减少电路引进的流速静态漂移；

温度测量模块包括温度测量传感器和测量电路，温度测量传感器的输入阻抗是和温度相关的，温度不同，温度探头的输入阻抗也发送变化，通过脉冲法测量出温度传感器的输入阻抗，也就可以测量出液体的温度；

液体测量模块包括采用MSP430控制器和CPLD逻辑控制电路，实时跟踪和接收来自超声波收发模块和温度测量模块发送的信号，稳定超声波接收信号的强度，检测接收信号的质量；液体测量模块的一个输出端口通过ARM控制器分别与液晶显示模块、键盘输入模块以及蓝牙串口模块连接；液体测量模块的另一个输出端口与OCT输出模块连接；流体测量模块测量的流体物理量，通过串口通信的方式把数据送给OCT输出模块，OCT输出模块把数字物理量转换成电流模拟物理量输出；

电源管理电路通过外部输入12V直流电压源可输出各种低噪声的电压源供设备各功能模块和电路使用。

进一步，传感器探头采用多种不同的超声波频率工作，其中，低频适用于大口径管道，中频适用于普通的较粗管道，高频则适用于小管径的管道。

进一步，所述测量装置采用多层板制作，使得模拟电路和数字电路有效的信号隔离，减少数字电路噪声对模拟接收灵敏电路的影响，提高了接收信号的质量。

进一步，电源管理电路还包括电池充电电路，电池充电电路检测内部可充电电池的工作情况，更新电池的工作状态。

进一步，所述上游的传感器探头（31）和所述下游的传感器探头（32）安装在传感器支架（3）上，传感器支架（3）固定在被测管道（1）上。

该超小型手持式超声波热量流量测量装置与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明采用超声波收发对称的控制电路，进一步减少了超声波测量的零点漂移，同时优化了系统的精度。

（2）本发明通过选择工作频率，有效的减少了来自管壁的超声波短路信号的干扰。

（3）本发明采用多层板制作，使得模拟电路和数字电路有效的信号隔离，减少数字电路噪声对模拟接收灵敏电路的影响，提高了接收信号的质量。

（4）本发明采用对超声波接收信号质量智能跟踪设计，用户通过软件界面可以直观的查看超声波信号的质量，提示用户探头安装是否正确，可以进一步确保超声波接收信号的质量。

附图说明

图1：本发明超小型手持式超声波热量流量测量装置的电路连接方框示意图。

图2：本发明超小型手持式超声波热量流量测量装置与测量对象的连接示意图。

附图标记说明：

1—被测管道；2—超小型手持式超声波热量流量测量装置；3—传感器支架；31—上游的传感器探头；32—下游的传感器探头。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

一种超小型手持式超声波热量流量测量装置，包括超声波收发模块、液体测量模块、温度测量模块、ARM控制器、液晶显示模块、键盘输入模块、蓝牙串口模块以及电源管理电路。超声波收发模块包括上游的传感器探头31、下游的传感器探头32以及超声波发送和接收电路，上游的传感器探头31和下游的传感器探头32设置在被测管道1外壁上，上述三者形成同步切换和完全对称设计的上、下游超声波收发环路，具有高的噪声抑制性能，减少电路引进的流速静态漂移；

温度测量模块包括温度测量传感器和测量电路，温度测量传感器的输入阻抗是和温度相关的，温度不同，温度探头的输入阻抗也发送变化，通过脉冲法测量出温度传感器的输入阻抗，也就可以测量出液体的温度；

液体测量模块包括采用MSP430控制器和CPLD逻辑控制电路，实时跟踪和接收来自超声波收发模块和温度测量模块发送的信号，稳定超声波接收信号的强度，检测接收信号的质量；液体测量模块的一个输出端口通过ARM控制器分别与液晶显示模块、键盘输入模块以及蓝牙串口模块连接；液体测量模块的另一个输出端口与OCT输出模块连接；流体测量模块测量的流体物理量，通过串口通信的方式把数据送给OCT输出模块，OCT输出模块把数字物理量转换成电流模拟物理量输出；

电源管理电路通过外部输入12V直流电压源可输出各种低噪声的电压源供设备各功能模块和电路使用。

传感器探头采用多种不同的超声波频率工作，其中，低频适用于大口径管道，中频适用于普通的较粗管道，高频则适用于小管径的管道。

所述测量装置采用多层板制作，使得模拟电路和数字电路有效的信号隔离，减少数字电路噪声对模拟接收灵敏电路的影响，提高了接收信号的质量。

电源管理电路还包括电池充电电路，电池充电电路检测内部可充电电池的工作情况，更新电池的工作状态。

如图2所示，上游的传感器探头31和所述下游的传感器探头32安装在传感器支架3上，传感器支架3固定在被测管道1上。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超小型手持式超声波热量流量测量装置，包括超声波收发模块、液体测量模块、温度测量模块、ARM控制器、液晶显示模块、键盘输入模块、蓝牙串口模块以及电源管理电路，其特征在于：

超声波收发模块包括上游的传感器探头（31）、下游的传感器探头（32）以及超声波发送和接收电路，上游的传感器探头（31）和下游的传感器探头（32）设置在被测管道（1）外壁上，上述三者形成同步切换和完全对称设计的上、下游超声波收发环路，具有高的噪声抑制性能，减少电路引进的流速静态漂移；

温度测量模块包括温度测量传感器和测量电路，温度测量传感器的输入阻抗是和温度相关的，温度不同，温度探头的输入阻抗也发送变化，通过脉冲法测量出温度传感器的输入阻抗，也就可以测量出液体的温度；

液体测量模块包括采用MSP430控制器和CPLD逻辑控制电路，实时跟踪和接收来自超声波收发模块和温度测量模块发送的信号，稳定超声波接收信号的强度，检测接收信号的质量；液体测量模块的一个输出端口通过ARM控制器分别与液晶显示模块、键盘输入模块以及蓝牙串口模块连接；液体测量模块的另一个输出端口与OCT输出模块连接；流体测量模块测量的流体物理量，通过串口通信的方式把数据送给OCT输出模块，OCT输出模块把数字物理量转换成电流模拟物理量输出；

电源管理电路通过外部输入12V直流电压源可输出各种低噪声的电压源供设备各功能模块和电路使用。

2.根据权利要求1所述超小型手持式超声波热量流量测量装置，其特征在于：传感器探头采用多种不同的超声波频率工作，其中，低频适用于大口径管道，中频适用于普通的较粗管道，高频则适用于小管径的管道。

3.根据权利要求1或2所述超小型手持式超声波热量流量测量装置，其特征在于：所述测量装置采用多层板制作，使得模拟电路和数字电路有效的信号隔离，减少数字电路噪声对模拟接收灵敏电路的影响，提高了接收信号的质量。

4.根据权利要求1所述超小型手持式超声波热量流量测量装置，其特征在于：电源管理电路还包括电池充电电路，电池充电电路检测内部可充电电池的工作情况，更新电池的工作状态。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述超小型手持式超声波热量流量测量装置，其特征在于：所述上游的传感器探头（31）和所述下游的传感器探头（32）安装在传感器支架（3）上，传感器支架（3）固定在被测管道（1）上。