CN103913211A

CN103913211A - 超声波水表的时间系数标定方法

Info

Publication number: CN103913211A
Application number: CN201410149147.7A
Authority: CN
Inventors: 姜跃炜; 薛明星
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: CN103913211B

Abstract

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波水表的时间系数标定方法，包括如下步骤：电路产生稳定的基准频率为f_clb的连续低频方波信号和宽度分别为m₁/f_h、m₂/f_h的脉冲信号，并对以上信号进行计数，判断计数值是否超过设定的阈值L₀，并判断时钟频率偏差系数f_Δ是否超过设定的阈值f₀，放大倍数β是否超过阈值β₀；若以上判断均未超出阈值，得到时间系数p，超声波实际传播时间t＝L×p；有任何一项超出阈值，超声波水表给出错误提示并停止流量检测。通过产生一定频率或一定宽度的脉冲信号，使用高频计数时钟对这些信号进行检测，本方法可显著提高超声波水表检测的精准度，且能长期保持在一个较低的误差范围内。

Description

超声波水表的时间系数标定方法

技术领域

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波水表的时间系数标定方法。

背景技术

超声波水表是采用超声波时差原理，采用工业级电子元器件制造而成的全电子水表，与机械式水表相比较具有精度高，可靠性好，量程比宽，使用寿命长，无任何活动部件，无需设置参数，任意角度安装等优点，随着社会的进步，超声波水表的使用越来越广。

超声波水表在测量时，利用超声波脉冲在流体中顺流传播时间和逆流传播时间的差值来测量流体流速，再根据管道截面面积计算出管道内流体的流量。在测量时，由于超声波在水中传播速度很快，无论是顺流传播时间还是逆流传播时间都很小，故对时间的测量精度要求很高。现有的测量都是使用一个高频计数时钟，超声波脉冲在流体顺流传播过程中，即从发射到接收的过程中计数器对高频计数时钟进行计数，其顺流传播时间t就是计数值L除以高频计数时钟的频率f；逆流传播时间同理，也是通过计数器的计数值计算得出的。只要高频计数时钟的频率保持不变，根据其计算出来的顺流传播时间、逆流传播时间都是准确的，由此算出来的流体流量也自然是准确的，但实际应用中，高频计数时钟的频率不可能维持一个常数不变，其会受到环境温度、电压等多方面因素影响而产生波动，对于超声波水表这种精密仪器来说，这种波动所允许的误差很小，超出误差范围就会导致计量结果不准确，故急需一种方案能够对高频计数时钟的频率波动进行监控和校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波水表的时间系数标定方法，能够有效地对高频计数时钟的计数值进行修正，保证超声波水表测试的准确性。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种超声波水表的时间系数标定方法，包括如下步骤：电路产生n个稳定的基准频率为f_clb的连续低频方波信号，将此信号输入计数器模块并使用高频计数时钟对此信号的一个周期宽度进行计数得到计数值，其中高频计数时钟的频率f_h＞100f_clb，第i个低频方波信号的周期计数值为L_i，i∈{1，2，3，…，n}，判断计数值L_i是否超过设定的阈值L₀，并判断时钟频率偏差系数f_Δ＝[(L₁＋L₂＋…＋L_n)－L_x]×100%/L_x是否超过设定的阈值f₀；电路产生宽度分别为m₁/f_h、m₂/f_h的脉冲信号并将这两个信号输入计数器模块，使用高频计数时钟进行宽度检测分别得到计数值L_m1和L_m2，其中m₂≥3m₁，判断计数值L_m1、L_m2是否超过阈值L₀，并判断放大倍数β＝(L_m2－L_m1)/(m₂－m₁)是否超过阈值β₀；若以上判断均未超出阈值，令时间系数p＝1/[(1＋f_Δ)×f_h×β]，超声波在工作时获得的计数值为L，则超声波实际传播时间t＝L×p；有任何一项超出阈值，超声波水表给出错误提示并停止流量检测。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过产生一定频率或一定宽度的脉冲信号，使用高频计数时钟对这些信号进行检测，一旦检测结果不在设定的阈值内，则可认定高频计数时钟出现故障或误差过大，此时检测出来的流量就不准确，超声波水表就需要进行检修，通过本方法判定后的高频计数时钟计数结果准确，得到的超声波传播时间非常的精确，自然也使得超声波水表对流体流量的检测非常准确。

附图说明

图1a、1b是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，一种超声波水表的时间系数标定方法，包括如下步骤：（A）电路产生n个稳定的基准频率为f_clb的连续低频方波信号，将此信号输入计数器模块并使用高频计数时钟对此信号的一个周期宽度进行计数得到计数值，其中高频计数时钟的频率f_h＞100f_clb，第i个低频方波信号的周期计数值为L_i，i∈{1，2，3，…，n}，若任一个计数值L_i超过设定的阈值L₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤B；理论上L_i＝f_h/f_clb，但实际上由于f_h的不稳定性，使得L_i的值有所波动，如果L_i波动过大，超过了设定的阈值L₀，则说明高频计数时钟的频率f_h波动过大已经影响到计算结果了，需要对超声波水表进行检修，这里，优选地，阈值L₀∈(1±20%)f_h/f_clb。（B）时钟频率偏差系数f_Δ＝[(L₁＋L₂＋…＋L_n)－L_x]×100%/L_x，其中L_x＝n×f_h/f_clb，若f_Δ超过设定的阈值f₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤C，这里优选地，阈值∈[﹣3,3]。通过对时钟频率偏差系数f_Δ的判定，可以测量超声波水表多次测量的总误差，当总误差超过阈值f₀时，则判定高频计数时钟的计数值误差过大，需要对超声波水表进行维修。（C）电路产生宽度分别为m₁/f_h、m₂/f_h的脉冲信号并将这两个信号输入计数器模块，使用高频计数时钟进行宽度检测分别得到计数值L_m1和L_m2，其中m₂≥3m₁，若L_m1和L_m2中任意一个超过设定的阈值L₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤D；（D）放大倍数β＝(L_m2－L_m1)/(m₂－m₁)，若β超过设定的阈值β₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤E。

这里的步骤A、B和步骤C、D是并列的，所以步骤A、B、C、D可以按步骤C、D、A、B的顺序进行。

完成步骤A～D之后，若判定结果都是否，即均为超过所设阈值，执行如下步骤：（E）令时间系数_p＝1/[(1＋f_Δ)×f_h×β]，若超声波在工作时获得的计数值为L，则超声波传播时间t＝L×p。只要有一个判定结果为否，即其中某一次判定时，超过所设阈值，执行如下步骤：（F）超声波水表给出错误提示并停止流量检测。步骤F中的错误提示可以是点亮红色LED灯或发出声音提示等。

通过这一系列的处理，当误差过大，超声波水表直接给出提示，检修人员对水表进行检修，误差较小时，直接通过时间系数进行修正，这样计算得出的流量更准确；同时，由于这里引入了时间系数p对测量结果进行修正，能够显著提高长期测量精确度。本方法无需每次超声波水表在测量时都执行，只需定期执行一次，如一小时一次，这个频率可根据实际情况进行选择。

为了说明本发明的有益效果，申请人对同一水表使用本方法之前和之后分别进行了测量精度试验，实验均以公称通径为DN15的水表进行测试，实验中所说的Q1为最小流量，含义为要求水表的示值符合允许最大误差的最低流量；Q2为分界流量，通常在常用流量Q3和最小流量Q1之间，将流量的范畴分解成两个有特定最大允许误差的高区和低区流量，Q3为常用流量，指的是在额定工作条件下的最大允许流量，在此流量下，超声波水表正常工作时应符合最大允许误差。以下列出两个实验数据：

实验一：环境温度为20±5℃，水表在Q3流量点下至少测量10次得到的示值误差平均值，超声波水表开始工作时测量一次，以后分别在超声波水表工作10h、100h、500h时测量一次，结果如下：

表格一	原始误差	10h	100h	500h
					使用前	0.43%	0.56%	0.72%	1.1%
使用后	0.32%	0.34%	0.30%	0.32%

从表中我们可以很清楚的看到，超声波水表未使用本发明的方法进行时间系数标定时，随着时间的推移，其误差会逐渐增大，500小时后误差已经达到1.1%，使用本发明的方法后，其误差基本保持在0.3%到0.4%之间，实际应用过程中，使用本方法的超声波水表的计量误差长期保持在0.2%至1.2%之间。同时，我们还可以发现，不管是在哪个时间点进行检测，水表在使用本方法后，误差均小于使用本方法之前的误差，且越到后期越是明显。

实验二：在环境温度分别为10℃、20℃、40℃和60℃的情况下（这里的温度均有±5℃的误差范围），水表工作10h后，在Q3流量点下至少测量10次得到的示值误差平均值，结果如下：

表格二	10℃	20℃	40℃	60℃
					使用前	0.36%	0.41%	0.52%	1.4%
使用后	0.26%	0.21%	0.23%	0.31%

从表格中我们可以明显看出，环境温度对超声波水表的测量精度有影响，特别是温度超过40℃之后，影响更为显著，水表在使用本方法之前，环境温度为60℃时，水表的误差已达到1.4%，使用本方法之后，即使环境温度为60℃，水表的误差依然稳定在0.4%以下。同时，我们还可以发现，不管是在哪个环境温度下进行检测，水表在使用本方法后，误差均小于使用本方法之前的误差，且温度越高越明显。

通过以上两个测试，我们可以得知，超声波水表中使用本发明中的方案后，无论是测量精度，或者长期计量误差都很小，大幅度提高了超声波水表计量的准确度。

Claims

1.一种超声波水表的时间系数标定方法，包括如下步骤：

（A）电路产生n个稳定的基准频率为f_clb的连续低频方波信号，将此信号输入计数器模块并使用高频计数时钟对此信号的一个周期宽度进行计数得到计数值，其中高频计数时钟的频率f_h＞100f_clb，第i个低频方波信号的周期计数值为L_i，i∈{1，2，3，…，n}，若任一个计数值L_i超过设定的阈值L₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤B；

（B）时钟频率偏差系数f_Δ＝[(L₁＋L₂＋…＋L_n)－L_x]×100%/L_x，其中L_x＝n×f_h/f_clb，若f_Δ超过设定的阈值f₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤C；

（C）电路产生宽度分别为m₁/f_h、m₂/f_h的脉冲信号并将这两个信号输入计数器模块，使用高频计数时钟进行宽度检测分别得到计数值L_m1和L_m2，其中m₂≥3m₁，若L_m1和L_m2中任意一个超过设定的阈值L₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤D；

（D）放大倍数β＝(L_m2－L_m1)/(m₂－m₁)，若β超过设定的阈值β₀，则停止标定并进入步骤F，否则进入步骤E；

（E）令时间系数p＝1/[(1＋f_Δ)×f_h×β]，若超声波检测电路在正常进行流量计量时获得的计数值为L，则超声波传播时间t＝L×p；

（F）超声波水表给出错误提示并停止流量检测。

2.如权利要求1所述的超声波水表的时间系数标定方法，其特征在于：所述的步骤A、B、C、D可以按步骤C、D、A、B的顺序进行。

3.如权利要求1所述的超声波水表的时间系数标定方法，其特征在于：所述的阈值L₀∈(1±20%)f_h/f_clb，阈值f₀∈[﹣3,3]，阈值β₀∈(1±10%)。