CN105651361B - 超声波水表自动调压检测标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波水表自动调压检测标定装置及方法，包括设置在测试管段的若干串联的超声波水表、称重装置、储水槽、变频增压泵、储压罐以及管道组成的环形系统。变频增压泵用于控制抽水增压，回水管道用于泄压，超声波水表连接数据处理系统，数据处理系统采集每只超声波水表的流量示数和称重装置得到的质量数据，记算出每只超声波水表的相对误差数值，并拟合出误差预测函数返回至相应的超声波水表。利用数据处理系统采集每只超声波水表的流量示数，以及质量数据，根据流量示数与误差值数组拟合出相对误差预测函数返回至相应的超声波水表，从而修正不同超声波水表间的机械与电子的物理差异因素、安装工艺差异因素所导致的系统性误差。

Description

超声波水表自动调压检测标定装置及方法

技术领域

本发明涉及超声波水表检定技术领域，特别是指一种超声波水表自动调压检测标定装置及方法。

背景技术

在封闭管段的固定位置安装压电换能器的超声波水表，在理想情况下，用时差法测得的某时段累积流量示数增加值Q与水流速度

及通过的时间t成正比，一般可用公式1表示，其中A为管道截面积常数，k为待确定的修正工程系数，V₀为始动最小流速，V_t为过载流速。但在工程实验中发现，累积流量示数增加值Q与水流速度

在不同数值区间呈现出不同的近似线性关系，因此公式1常被改造为公式2样的分段表达式，其中k₁,k₂,..k_n；b₁,b₂,..b_n为常数；V为测得的水流速度数据集，V₁,V₂,..V_n-1∈V，任意V_i满足V0≤V_i≤V_t。

常见的超声波水表检定装置是采用静态的质量法、或容积法、或标准表法，通过检测5～7个关键流速点来判定计量计精度是否符合设计要求。在所有关键元器件的质量一致性较好的情况下，这种检定方法会保证合格产品的计量误差控制在有效的许可范围内，普通情况是，产品的一次性合格率可达到90％，但优良品率仅能达到50％左右。造成这种现象的原因是由于通水管段加工精度的一致性难于保证，如表现出孔径大小不一致、表面光洁度的差异，传感器安装的位置的差异，还有电子电路的来料的差异、传感器灵敏度的差异等都对超声波水表的计量特性有着很大的影响，可能与设计预定的计算方案差距较大。

发明内容

本发明提出一种超声波水表自动调压检定装置及方法，解决了现有技术中超声波水表的计量存在误差的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种超声波水表自动调压检测标定装置，包括设置在测试管段的若干串联的超声波水表、称重装置、储水槽、变频增压泵、储压罐、回水管道以及其他管道组成的环形系统，变频增压泵用于控制抽水和增压，回水管道用于泄压，超声波水表连接数据处理系统，数据处理系统采集每只超声波水表的流量示数和称重装置得到的质量数据，计算每只超声波水表的相对误差数值，并拟合出相对误差预测修正函数返回至相应的超声波水表。

进一步的，测试管段的两端各设有一个用于测量水压的压力计。

进一步的，压力计与相邻的超声波水表之间设有电磁阀。

进一步的，称重装置通过出水管道与储水槽连接，出水管道上设有一个电磁阀。

进一步的，储压罐通过回水管道与储水槽连通，回水管道上设有一个电磁阀。

一种超声波水表自动调压检测标定方法，包括以下步骤：

(1)测试管段两端水压差从0开始，增加NkPa后保持水压稳定，N为整数，N大于0；

(2)在水压差稳定时使得流量稳定，数据处理系统采集每只超声波水表的累积流量示数增加值Q，水流量速度v，以及同步后的称重装置的累积质量值G；

(3)若测量时间达到额定时间M秒，M≥150；则使水压差增加NkPa后保持水压差稳定和流量稳定，重复步骤(2)，直至水压差达到设定的最大值；

(4)根据每只超声波水表的累积流量示数增加值Q、水流量速度v，称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表；

(5)标定后的超声波水表根据相对误差预测修正函数，计算累积流量示数增加值Q。

进一步的，步骤(4)具体包括以下步骤：

(401)令累积流量示数增加值Q和累积质量值G的单位统一，得到与累积流量示数增加值Q对应的误差值E＝(Q-G)/G；

(402)数据处理系统根据每只超声波水表测得的平均水流量速度

和误差值E，拟合出相对误差预测修正函数

并发送至相应的超声波水表。

进一步的，在步骤(1)中，将水压差增加的次数记为i，i为整数，i≥1；

步骤(2)中，在水压差稳定期间，数据处理系统采集每只超声波水表的累积流量示数增加值Q_i、平均水流量速度

和同步后的称重装置的累积质量值G_i；

步骤(401)中，得到误差值E_i，根据使得

的值最小得出相对误差预测修正函数

本发明的有益效果在于：利用数据处理系统采集每只超声波水表的累积流量、水流速度，以及累积质量，根据速度-误差数组拟合出误差预测修正函数并返回至相应的超声波水表，从而克服不同超声波水表间的机械与电子的物理差异因素、安装工艺差异因素所导致的系统性误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超声波水表自动调压检测标定装置的结构示意图；

图2为本发明超声波水表自动调压检测标定方法的误差预测修正函数的一个实施例的曲线图；

图3为超声波水表标定之前的相对误差曲线图；

图4为超声波水表标定之后的相对误差曲线图。

图中，1-第一压力计；2-第二压力计；3-超声波水表；4-数据通讯单元；5-数据处理系统；6-称重装置；7-储水槽；8-变频增压泵；9-储压罐；10-出水管道；11-进水管道；12-回水管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种超声波水表自动调压检测标定装置，包括设置在测试管段的若干串联的超声波水表³、称重装置⁶、储水槽⁷、变频增压泵⁸、储压罐⁹以及回水管道¹²等组成的环形系统，测试管段的两端各装有一个用于测量水压的压力计，分别为第一压力计¹和第二压力计²，第一压力计¹设置在测试管段的进水口，第二压力计²设置在测试管段的出水口，第一压力计¹和第二压力计²，用于测试测试管段两端的水压差。在本实施例中，超声波水表³的个数为5个，在其他实施例中，还可采用不同数的超声波水表³，均适用于本装置。测试管段的出水口处是称重装置，在本实施例中，采用的是称重桶，称重桶用于收集从测试管段流出来的水，并测出其累积质量。称重装置⁶通过出水管道¹⁰与储水槽连接，出水管道¹⁰上设有一个通断阀。储水槽储存着从称重装置⁶流出的水，并通过抽水管道输出水，变频增压泵⁸用于控制抽水和增压，储压罐⁹通过进水管道¹¹，将水输送至测试管段；储压罐⁹通过回水管道¹²与储水槽⁷连通，回水管道¹²上设有一个通断阀，可使储压罐泄压来达到调节测量管段压差。管道上的通断阀的通断操作均可通过计算机程序控制，无需人工执行开关。

超声波水表³通过数据线将各项流量数据发送至数据通讯单元⁴，数据通讯单元⁴通过数据线连接数据处理系统⁵，并将流量数据发送至数据处理系统⁵。数据处理系统⁵采集每个超声波水表³的流量数据和称重装置⁶得到的质量数据，记算出每只超声波水表³的相对误差数值，并拟合出相对误差预测修正函数返回至相应的超声波水表³。

在使用过程中，保证变频增压泵⁸的功率足够，回水管道¹²的口径合适，使得其能够按照要求自动调节测量管两端水压差，另外，进水管道¹¹和出水管道¹⁰的口径应该保持匹配，使得测试管段的入水口压力上升或下降能达到5KPa/S。

本发明还提出了一种超声波水表自动调压检测标定方法，可以利用上述超声波水表自动调压检测标定装置进行工作。将进水管道¹¹和出水管道¹⁰的内径都设置为32mm，变频增压泵⁸的输出功率为2.5KW，回水管口径设置为25mm，增压(或降压)速率达到5kPa/S，此装置可有效地响应指令对执行时延的要求。在测试台上夹装好标称口径为20mm的超声波水表5只。

包括以下步骤：

首先设定第一压力计¹的最大压值为800KPa，在此水压值下，可通过调节使超声波水表³工作于过载流量状态，控制变频增压泵⁸、回水管道¹²通断阀，根据测试管段两端压差以及压差与流速的经验计算公式，结合流速与误差的分布规律的经验数据，令第一压力计¹的水压从0开始，增加NkPa后保持水压稳定，N为整数，N大于0；将水压增加的次数记为i，i为整数，i≥1；从而生成一组第一压力计¹的给定压力值分别为SP₁，SP₂，..SP₂₅，记第一水压计¹的水压值为P1，使得当P1＝SP_i(1≤i≤25)时，使检定装置通水，保持测试管道的水压值稳定于P1并且流速稳定后，开始记录测量的数据，连续测试记录200秒后终止测试记录。即从P1＝SP₁到SP₂₅自动循环操作记录25次，数据处理系统⁵记录下所有的过程数据。

数据处理系统⁵采集每个超声波水表³的累积流量示数增加值Q_i、水流量速度v_i和承重装置同步后的累积质量值G_i；1≤i≤25，共得到25组关联数值。

在采集数据期间，设置数据采样时间，数据处理系统⁵采集多组数据，比如当i＝1时，数据采样时间为T，那么数据处理系统⁵每个稳压测量过程需采集数据M/T次。当i＝1时，水流量速度v_i的数值有多组，求平均值，可得到平均水流量速度

待整个数据采集过程结束后，数据处理系统⁵计算出当P1＝SP_i时的超声波水表³平均累积流量值(记为

)，平均累积流量值与平均水流量速度

相对应，当然，在对超声波水表采集数据时，也可采集累积流量示数增加值Q_i、水流量速度v_i或平均累积流量值和承重装置同步后的累积质量值G i，再计算出累积流量示数增加值与累积质量值间的相对误差率(记为ε)，然后得到平均累积流量值与相对误差的对照关系表

表，如附表1所示。

附表1

注：后文中提到的表A、表B、表C、表D、表E指的是五只超声波水表³。

根据每个超声波水表³的平均累积流量值

(等同于平均水流速)、累积流量示数增加值Q、称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统⁵拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表³；具体包括以下步骤：

令累积流量示数增加值Q和累积质量值G的单位统一，当平均累积流量值等于

时，得到误差值E_i＝(Q_i-G_i)/G_i；数据处理系统⁵采集了25组超声波水表³的误差记录数组，令

的值极小，则可得出相对误差预测修正函数

令q₁＝最小流量，q₂＝分界流量，q₃＝常用流量，q₄＝过载流量，Δt＝采样均匀时间间隔。由数据处理系统⁵对每只表的

组值，分三段进行多项式拟合生成预测曲线

第1段

第2段

第3段

将拟合成的曲线函数

回写入对应超声波水表，则标定后超声波水表³的某瞬时流量数值Q_i则变为公式3，累积流量示数增加值SQ变为公式4：

标定后的超声波水表³示数与真实值误差极小，这样就解决了不同超声波水表³间的机械与电子的物理差异因素、安装工艺差异因素所导致的系统性误差。

以附表1中的超声波水表A数据为样本，分段进行数据二次多项式拟合，生成的预测曲线结果如图2所示，对应的

分段函数为：

将三个联立误差预测修正函数回写入超声波水表A后重新测试，标定前后的流量示值误差曲线对比图形如图3、图4，可以看到标定后的计量误差曲线得到了显著改善。标定校准前后的流量误差波动范围对照表见附表2。

附表2：

序号	表A	表B	表C	表D	表E
						标定前误差范围％	-12.3，7.4	-11.6，7	-12.3，6.4	-8，5.7	-8.6，6
标定后误差范围％	-2.2，3.2	-4.7，3.2	-4.3，3.4	-2,3，3.7	-2.4，3.2

本发明将超声波水表、检测标定装置、误差分析修正系统作为一个整体进行研究应用，检测标定装置指的是环形系统，误差分析修正系统指的是数据通讯单元和数据处理系统，对每只超声波水表测量到的实际误差进行多项式拟合，给出相对误差预测修正函数，再回写入超声波水表计算器中的预定义误差修正表达式中，就实现了计量误差的动态连续预测修正。

对每只超声波水表计量误差进行动态拟合修正，保证了在不同超声波水表关键元器件间存在较大物理特性差异和装配工艺差异时，仍能达到最佳的计量精度。

将产品实流检测与标定进行融合的设计，使超声波水表一次性标合格率得到有效提高，特别是优良品率大幅提升。

产品检测与标定全自动化完成，操作人员只需夹装表具，而无须参与任何记录过程，排除了人为误差因素，适宜于高度自动化生产作业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波水表自动调压检测标定装置，其特征在于：包括设置在测试管段的若干串联的超声波水表、称重装置、储水槽、变频增压泵、储压罐、回水管道以及其他管道组成的环形系统，所述变频增压泵用于控制抽水和增压，回水管道用于泄压，所述超声波水表连接数据处理系统，所述数据处理系统采集每只超声波水表的流量示数和所述称重装置得到的质量数据，计算每只超声波水表的相对误差数值，并拟合出相对误差预测修正函数返回至相应的超声波水表，在使用过程中，保证变频增压泵的功率足够，回水管道的口径合适，使得其能够按照要求自动调节测量管两端水压差，进水管道和出水管道的口径保持匹配；

(1)测试管段两端水压差从0开始，增加NkPa后保持水压稳定，N为整数，N大于0；

(2)在水压差稳定时使得流量稳定，数据处理系统采集每只超声波水表的累积流量示数增加值Q，水流量速度v，以及同步后的称重装置的累积质量值G；

(3)若测量时间达到额定时间M秒，M≥150；则使水压差增加NkPa后保持水压差稳定和流量稳定，重复步骤(2)，直至水压差达到设定的最大值；

(4)根据每只超声波水表的累积流量示数增加值Q、水流量速度v，称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表；

根据每个超声波水表的平均累积流量值

累积流量示数增加值Q、称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表；

累积流量示数增加值Q和累积质量值G的单位统一，当平均累积流量值等于

时，得到误差值E_i＝(Q_i-G_i)/G_i；令

的值极小，则可得出相对误差预测修正函数

令q₁＝最小流量，q₂＝分界流量，q₃＝常用流量，q₄＝过载流量，Δt＝采样均匀时间间隔，由数据处理系统对每只表的

组值，分三段进行多项式拟合生成预测曲线

第1段

第2段

第3段

将拟合成的曲线函数

回写入对应超声波水表，则标定后超声波水表的某瞬时流量数值Q_i为：

累积流量示数增加值SQ为：

2.根据权利要求1所述的超声波水表自动调压检测标定装置，其特征在于：所述测试管段的两端各设有一个用于测量水压的压力计。

3.根据权利要求2所述的超声波水表自动调压检测标定装置，其特征在于：所述压力计与相邻的超声波水表之间设有电磁阀。

4.根据权利要求1所述的超声波水表自动调压检测标定装置，其特征在于：所述称重装置通过出水管道与所述储水槽连接，所述出水管道上设有一个电磁阀。

5.根据权利要求1所述的超声波水表自动调压检测标定装置，其特征在于：所述储压罐通过回水管道与所述储水槽连通，所述回水管道上设有一个电磁阀。

6.一种超声波水表自动调压检测标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测试管段两端水压差从0开始，增加NkPa后保持水压稳定，N为整数，N大于0；

(2)在水压差稳定时使得流量稳定，数据处理系统采集每只超声波水表的累积流量示数增加值Q，水流量速度v，以及同步后的称重装置的累积质量值G；

(3)若测量时间达到额定时间M秒，M≥150；则使水压差增加NkPa后保持水压差稳定和流量稳定，重复步骤(2)，直至水压差达到设定的最大值；

(4)根据每只超声波水表的累积流量示数增加值Q、水流量速度v，称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表；

根据每个超声波水表的平均累积流量值

累积流量示数增加值Q、称重装置同步后的累积质量值G，数据处理系统拟合出一个相对误差预测修正函数，并发送至相应的超声波水表；具体包括以下步骤：

令累积流量示数增加值Q和累积质量值G的单位统一，当平均累积流量值等于

时，得到误差值E_i＝(Q_i-G_i)/G_i；令

的值极小，则可得出相对误差预测修正函数

令q₁＝最小流量，q₂＝分界流量，q₃＝常用流量，q₄＝过载流量，Δt＝采样均匀时间间隔；由数据处理系统对每只表的

组值，分三段进行多项式拟合生成预测曲线

第1段

第2段

第3段

将拟合成的曲线函数

回写入对应超声波水表，则标定后超声波水表的某瞬时流量数值Q_i为

累积流量示数增加值SQ为：

(5)标定后的超声波水表根据相对误差预测修正函数，计算累积流量示数增加值Q。

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