CN106595793A - 一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法。在超声波水计量表的管段内部上下游对称安装的结构相同的第一反射柱和第二反射柱内分别植入压电陶瓷片，并以管段内水流速度和电陶瓷片实时监测的超声波波束信号强度为触发判断条件，触发控制电路板给予各自压电陶瓷片正弦激励信号并驱动各自压电陶瓷片振动，从而带动各自反射柱顶部的反射面振动并进而实现各自反射面的自清洁。本发明有效解决由于反射面结垢引起的超声波水计量表测量结果不准确的问题；无需将超声波水计量表从管网上拆卸下来，自清洁过程不会影响正常的水流量计量；延长了超声波水计量表的使用寿命，使超声波水计量表在水质较脏的测量场合仍可以正常使用。

Description

一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法
技术领域
本发明涉及超声波水计量表，尤其是涉及一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法。
背景技术
超声波水计量表(主要包括超声波水表和超声波热量表两种)是通过检测超声波波束在管段水流中顺流传播和逆流传播之间的时间差，进而计算得出水流在管段中的流速，并进一步积算得出管段中水流量的一种新式水计量表。作为第二代智能表，超声波水计量表具有测量精度高、测量量程比宽、内部无可活动部件、通讯和组网功能强大等优点，尤其突出的是，超声波水计量表的小流量检测能力优异(20口径的超声波水表最小流量可低至10升每小时，始动流量可低至2升每小时)，因此超声波水计量表更适合供水行业梯度式水价收费改革与供热行业分户计量改革，具有广阔的市场和使用前景。
然而，超声波水计量表在实际工作过程中，往往会发生管段结垢(污垢或水垢）的现象，尤其是管段内用以反射超声波波束的反射面更易结垢，因为反射面通常存在于污垢更易沉积的管段下部。管段结垢之后，超声波波束在管段内部的传播路径被改变，导致原先预设的仪表系数不再适用，从而导致超声波水计量表的测量精度降低(尤其是导致小流量测量精度降低)，严重时甚至将导致超声波水计量表无法正常工作。
为解决结垢问题导致的计量精度降低问题，许多研究人员提出了很多方法，例如：申请日为2011年06月10日，申请号为“201110154735.6”，公开的“免拆可清洗超声波热量表”， 利用超声波清洗机与超声波热量表通过能量变送器装置相耦合的方式，达到超声波热量表的免拆快捷清洗。然而，这种方式会需要利用一套超声波清洗机，且部分情况还是需要操作工作现场介入，因此会一定程度上提高超声波热量表的清洁成本。又如：申请日为2011年09月30日，申请号为“201120368761.4” 公开的“一种纳米防垢自清洁的超声波热量表表体”， 通过在超声波反射板上设置纳米材料涂层，防止供热热水中的杂质和污垢附着在反射面上。然而，这种方式有一定的局限性，纳米涂层材料并不能确保所有的污垢和杂质都不附着。
发明内容
为了克服背景技术领域中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法。通过反射面自清洁过程，解决由于反射面结垢引起的超声波水计量表测量结果不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明在超声波水计量表的管段内部上下游对称安装的结构相同的第一反射柱和第二反射柱内分别植入压电陶瓷片，并以管段内水流速度和电陶瓷片实时监测的超声波波束信号强度为触发判断条件，触发控制电路板给予各自压电陶瓷片正弦激励信号并驱动各自压电陶瓷片振动，从而带动各自反射柱顶部的反射面振动并进而实现各自反射面的自清洁。
所述结构相同的第一反射柱和第二反射柱内分别植入压电陶瓷片，压电陶瓷片上表面与反射面平行且与反射面之间的距离1.2到1.3个超声波波长，同时，压电陶瓷片上表面与反射面之间使用环氧基底匹配材料进行填充，且该环氧基底匹配材料的声阻抗值通过压电陶瓷片声阻抗与反射面声阻抗相乘以后开根号运算得到，以使压电陶瓷片、反射柱和被测水流之间实现声阻抗匹配，进而实现压电陶瓷片实时监测超声波水计量表内超声波波束信号强度。
所述结构相同的第一反射柱和第二反射柱，其侧面开有一环形凹槽，且环形凹槽中心与压电陶瓷片底面中心点距离为4~7.5毫米，以使环形凹槽以上的部分反射柱、压电陶瓷片、环氧基底匹配材料和反射面共同组成振动主频率为1MHz的一个结构体。
所述反射面自清洁触发判断条件为超声波波束信号强度是否低于预先设定并存储在控制电路板内的信号强度阀值，且触发判断过程由控制电路板接收压电陶瓷片输出信号后完成；同时，随着管内水流速度的逐步增大，预先设定的信号强度阀值逐步减小，以此区分由流速增加导致的超声波信号减弱与由反射面结垢导致的超声波信号减弱。
本发明具有的有益效果是：
1、通过反射面自清洁过程，可有效解决由于反射面结垢（包括污垢、水垢等）引起的超声波水计量表测量结果不准确的问题。
2、自清洁过程中无需将超声波水计量表从管网上拆卸下来，不仅方便快捷而且成本低廉；同时，自清洁过程不会影响正常的水流量计量，确保测量准确性。
3、延长了超声波水计量表的使用寿命，并扩大了其使用范围，使超声波水计量表在水质较脏的测量场合仍可以正常使用并保证测量精度。
附图说明
图1是本发明超声波水计量表各零部件装配关系示意图。
图2是超声波水计量表的计量过程示意图。
图3是本发明两个反射柱内压电陶瓷片与匹配层、反射面的装配关系示意图。
图4是自清洁过程不工作时水流量计量周期时序示意图。
图5是自清洁过程工作时水流量计量周期与自清洁周期的时序关系示意图。
图6是本发明控制电路板的功能模块示意图。
图中：1、控制电路板，2、管段，3A、第一换能器，3B、第二换能器，4A、第一反射柱，4B、第二反射柱，5、反射面，6、环氧基底匹配材料，7、压电陶瓷片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图3所示，本发明在超声波水计量表的管段2内部上下游对称安装的结构相同的第一反射柱4A和第二反射柱4B内分别植入压电陶瓷片7，并以管段2内水流速度和电陶瓷片实时监测的超声波波束信号强度为触发判断条件，触发控制电路板1给予各自压电陶瓷片7正弦激励信号并驱动各自压电陶瓷片7振动，从而带动各自反射柱顶部的反射面5振动并进而实现各自反射面5的自清洁。
所述结构相同的第一反射柱4A和第二反射柱4B内分别植入压电陶瓷片7，压电陶瓷片7上表面与反射面5平行且与反射面5之间的距离1.2到1.3个超声波波长，同时，压电陶瓷片7上表面与反射面5之间使用环氧基底匹配材料6进行填充，且该环氧基底匹配材料6的声阻抗值通过压电陶瓷片7声阻抗与反射面5声阻抗相乘以后开根号运算得到，以使压电陶瓷片7、反射柱和被测水流之间实现声阻抗匹配，进而实现压电陶瓷片7实时监测超声波水计量表内超声波波束信号强度。
所述结构相同的第一反射柱4A和第二反射柱4B，其侧面开有一环形凹槽，且环形凹槽中心与压电陶瓷片7底面中心点距离为4~7.5毫米，以使环形凹槽以上的部分反射柱、压电陶瓷片7、环氧基底匹配材料6和反射面5共同组成振动主频率为1MHz的一个结构体。
所述反射面5自清洁触发判断条件为超声波波束信号强度是否低于预先设定并存储在控制电路板1内的信号强度阀值，且触发判断过程由控制电路板1接收压电陶瓷片7输出信号后完成；同时，随着管内水流速度的逐步增大，预先设定的信号强度阀值逐步减小，以此区分由流速增加导致的超声波信号减弱与由反射面5结垢导致的超声波信号减弱。
如图6所示，所述控制电路板1由单片机（以及附属的电源、晶振、按键、显示屏等）、换能器激发电路、信号接收处理电路、多路开关切换电路、接口电路等组成。
如图中所示，第一换能器和第二换能器分别接入到各自的换能器接口电路，第一反射柱和第二反射柱内的压电陶瓷片也分别接入到各自的接口电路。
当超声波顺流传播时，换能器激发电路通过多路开关切换电路连通到第一换能器，第二换能器产生的信号通过多路开关切换电路输送给信号接收处理电路；同时，此时第一反射柱内的压电陶瓷片连通到信号接收处理电路，以进行超声波信号强度监测。
当超声波逆流传播时，多路开关切换电路将进行切换改变通道，使换能器激发电路连通第二换能器，而第一换能器产生的信号输送给信号接收处理电路；同时，此时第二反射柱内的压电陶瓷片连通到信号接收处理电路。
本发明的工作原理：
图1是采用本发明提出的自清洁方法的超声波水计量表各零部件装配关系示意图。如图所示，用以水流量计量的第一换能器3A和第二换能器3B以对称的方式分别装在管段2内部的上游和下游，且发射端面垂直向下。第一反射柱4A安装在第一换能器3A的竖直下方，且反射面5中心与第一换能器3A反射端面中心正对，同理，反射柱第二4B安装在第二换能器3B的竖直下方，且反射面5中心与第二换能器3B发射端面中心正对。如图所示，第一换能器3A和第二换能器3B的导线分别接到控制电路板1上，同时，第一反射柱4A和第二反射柱4B的导线也分别接到控制电路板1上。
图2为超声波水计量表的流量计量过程示意图，控制电路板1首先给第一换能器3A一串激发脉冲(脉冲频率为1MHz，脉冲个数为7到10个不等），第一换能器3A反射端面竖直向下发射一串超声波波束，该超声波波束在第一反射柱4A顶部反射面5反弹以后，沿水平方向向第二反射柱4B传播，然后，再第二反射柱4B反射面5反弹以后，竖直向上地到达第二换能器3B。上述由第一换能器3A向第二换能器3B发射的整个过程(从激发脉冲输入到第一换能器3A开始，到第二换能器3B接收到超声波波束结束)持续的时间记为T顺，同理，由第二换能器3B向第一换能器3A发射的传播时间记为T逆。当超声波水计量表管段2内水流速度为零时，T顺与T逆相等(即T逆-T顺等于0)；当管段2内水流速度越来越大时，顺流传播T顺的值越来越小，逆流传播T逆的值越来越大，因此T逆-T顺值也与水流速度成正比地增大。超声波水计量表就依靠上述原理对水流量进行计量。
当第一反射柱4A或第二反射柱4B顶部反射面5的结垢(污垢或水垢)，会对上述计量过程造成几方面的影响：首先，超声波波束在管段2内传播的路径被缩短，从而导致超声波水计量表出厂前设置好的表征(T逆-T顺)值与水流速度之间的仪表系数不再准确，因而超声波水计量表的测量误差增大；其次，反射面5对超声波波束的反弹能力会减弱，导致换能器接收到的信号减弱，严重时可能最终导致无法正常测量。综上所述，反射面5上的污垢必须定时清洁。
图3是本发明反射柱内压电陶瓷片7与匹配层、反射面5的装配关系示意图。如图所示，压电陶瓷片7与发射面平行安装，且压电陶瓷片7与反射面5之间填充环氧基底匹配材料6。为便于压电陶瓷片7更灵敏地监测管段2内超声波波束信号强度，根据声学传播理论，本发明实现压电陶瓷片7与被测水流之间的声阻抗匹配：首先，压电陶瓷片7上表面与反射面5之间的平行距离为1.2到1.3个超声波波长(该超声波对应的主频率为1MHz)；其次，压电陶瓷片7上表面与反射面5之间的环氧基底材料6的声阻抗值，等于压电陶瓷片7声阻抗与反射面5声阻抗相乘以后开根号运算得到的值。
当反射面5需要清洗时，本发明采用控制电路板1给予压电陶瓷片7正弦激励信号从而带动反射面5振动为主、流体空化效应形成空泡冲击为辅的方式实现对水垢和污垢的清洗。为便于压电陶瓷片7更有效地驱动反射面5振动，本发明对反射柱形状也进行了特殊设计。如图3所示，反射柱侧面开有一环形凹槽，使得压电陶瓷片7驱动反射面5振动时，环形凹槽以上的部分反射柱、压电陶瓷片7、环氧基底匹配材料6、反射面5等在振动模态上组成一个整体，且通过调节环形凹槽与压电陶瓷片7中心点之间的距离(一般该距离在4到7.5毫米之间)，使得上述整体的振动主频率为1MHz，与管段2内超声波波束主频率相同。在本发明提出的方法中，压电陶瓷片7本身的中心频率并不一定局限于1MHz，其他频率(比如700kHz左右、1300kHz左右)也都适用于本发明提出的方法，通过反射柱材料选型和环形凹槽位置调整，以及环氧基底匹配材料6的调整，同样可将环形凹槽上部的整体频率调节至与水流量计量主频率相同的1MHz。依靠上述设计，不仅能使压电陶瓷片7更好地监测超声波波束信号强度，还能使压电陶瓷片7更有效地驱动反射面5振动从而实现反射面5清洗。
图4和图5阐述了本发明基于状态监测的超声波水计量表反射面5自清洁方法的应用时序，其中图4为自清洁过程不工作时水流量计量周期时序示意图，图5为自清洁过程工作时水流量计量周期与自清洁周期的时序关系示意图。
如图4所示，在平时状况下，超声波水计量表每隔1秒对水流量进行一次计量，且每次计量时间大约持续100毫秒左右(不同品牌的超声波水计量表，或者在不同的测量场合下，流量计量周期和持续时间可能会有所变化)，其余的900毫秒时间里超声波水计量表都处于休眠状态(为节约超声波水计量表内部的电池电量)。在计量过程中，当第一换能器3A或第二换能器3B发射的超声波波束到达下方的反射面5时，该反射面5下面的压电陶瓷片7可实时检测到该超声波波束的信号强度(信号峰峰值)，然后将该信号强度输入到控制电路板1。
如果压电陶瓷片7输入到控制电路板1的超声波波束信号强度值低于预先设置的信号强度阀值，则控制电路板1将开启反射面5自清洁过程。在本发明提出的方法中，用于判断是否需要触发反射面5自清洁过程的信号强度阀值，在不同水流量(水流速)下的值是不一样的，通常，随着管内水流速度的逐步增大，预先设定的信号强度阀值将逐步减小(因为随着管内流速的增加，超声波波束将被一定程度的“吹偏”，不会严格打到反射面5中心点位置，从而导致压电陶瓷片7接收到的信号强度减弱，即压电陶瓷片7信号减弱也可能是因为流速增大引起的)。本发明采用信号强度阀值根据管内流速值做相应调整的方法，可有效区分由流速增加导致的超声波信号减弱与由反射面5结垢导致的超声波信号减弱。本发明根据多次重复性实验取得的经验值，将不同流速下的信号强度阀值存储在控制电路板1内部，以便控制电路板1做相应判断。
本发明使用反射面5下面的压电陶瓷片7检测到的信号强度作为自清洁触发判断条件，而不使用第一换能器3A或第二换能器3B接收到的超声波波束信号强度作为自清洁触发判断条件，是因为后者不仅受到的影响因素更多，而且无法明确判断是第一反射柱4A上反射面5结垢还是第二反射柱4B上反射面5结垢，从而导致无法进行针对性的清洗。
当反射面5自清洁触发条件满足时，控制电路板1并不会立即启动自清洁过程，而是会将水流量计量周期与反射面5自清洁周期做时间先后顺序上的合理安排，在不妨碍水流量计量的前提下，才启动反射面5自清洁周期。如图5所示，当水流量计量周期完成之后，反射面5自清洁周期立即启动，两者之间无需任何等待期；同时，发射面自清洁周期在下一个水流量计量周期开始之前的5毫秒到10毫秒就结束(在5毫秒到10毫秒的时间等待期里面，反射面5的振动余波可以充分停息，这样可以避免对正常的水流量计量造成干扰)；在下一个水流量计量周期里面，反射面5下面的压电陶瓷片7仍然会对计量过程中的超声波波束信号强度进行实时监测，供电路板判断反射面5自清洁过程是否仍需继续进行。
本发明提出的反射面5自清洁方法，具有自我判断与自适应调节的特点，只要在有需要的时候才启动反射面5自清洁，这样可以最大程度地降低超声波水计量表的电池电量。同时，本发明采用反射面5下面的压电陶瓷片7对超声波波束信号强度进行被动式的检测，无需消耗电池电量，同样也能满足超声波水计量表低功耗的要求。
本发明提出的反射面5自清洁方法，可实现在线清洗，无需将超声波水计量表从管网上拆卸下来，同时不妨碍超声波水计量表的正常计量过程，因而不仅成本低廉，而且方便实用，可有效提高超声波水计量表的使用性能，同时也能拓展超声波水计量表的应用场合(比如污垢或水垢较多的场合)。

Claims (4)

1.一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法，其特征在于：在超声波水计量表的管段（2）内部上下游对称安装的结构相同的第一反射柱（4A）和第二反射柱（4B）内分别植入压电陶瓷片（7），并以管段（2）内水流速度和电陶瓷片实时监测的超声波波束信号强度为触发判断条件，触发控制电路板（1）给予各自压电陶瓷片（7）正弦激励信号并驱动各自压电陶瓷片（7）振动，从而带动各自反射柱顶部的反射面（5）振动并进而实现各自反射面（5）的自清洁。
2.根据权利要求1所述的一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法，其特征在于：所述结构相同的第一反射柱（4A）和第二反射柱（4B）内分别植入压电陶瓷片（7），压电陶瓷片（7）上表面与反射面（5）平行且与反射面（5）之间的距离1.2到1.3个超声波波长，同时，压电陶瓷片（7）上表面与反射面（5）之间使用环氧基底匹配材料（6）进行填充，且该环氧基底匹配材料（6）的声阻抗值通过压电陶瓷片（7）声阻抗与反射面（5）声阻抗相乘以后开根号运算得到，以使压电陶瓷片（7）、反射柱和被测水流之间实现声阻抗匹配，进而实现压电陶瓷片（7）实时监测超声波水计量表内超声波波束信号强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法，其特征在于：所述结构相同的第一反射柱（4A）和第二反射柱（4B），其侧面开有一环形凹槽，且环形凹槽中心与压电陶瓷片（7）底面中心点距离为4~7.5毫米，以使环形凹槽以上的部分反射柱、压电陶瓷片（7）、环氧基底匹配材料（6）和反射面（5）共同组成振动主频率为1MHz的一个结构体。
4.根据权利要求1所述的一种基于状态监测的超声波水计量表反射面自清洁方法，其特征在于：所述反射面（5）自清洁触发判断条件为超声波波束信号强度是否低于预先设定并存储在控制电路板（1）内的信号强度阀值，且触发判断过程由控制电路板（1）接收压电陶瓷片（7）输出信号后完成；同时，随着管内水流速度的逐步增大，预先设定的信号强度阀值逐步减小，以此区分由流速增加导致的超声波信号减弱与由反射面（5）结垢导致的超声波信号减弱。
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