CN106706056A - 一种大口径超声波水表流量测量的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自来水设施领域，特别公开了一种大口径超声波水表流量测量的补偿方法。它包括如下步骤：1）通过时间测量模块的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间，通过换算得到当前流体的温度；2）通过大量实验数据拟合温度和超声波声波传输的时间的关系公式；3）利用关系公式来补偿TDC_GP22寄存器2中的屏蔽时间，来优化采样时机，获得准确的传播时间；4）通过错波滤波算法，对传播时间进行滤波，最终得到稳定准确的超声波传播时间；5）通过插值算法，积分得到准确的累计流量。通过此方法可以在任意一个温度下，只需要一次合格的校正，就可以实现整个温度要求范围内的准确测量。
Description
（一）技术领域
本发明涉及自来水设施领域，特别涉及一种大口径超声波水表流量测量的补偿方法。
（二）背景技术
目前技术下，大口径超声波水表的流量补偿方法是利用PT100或者热敏电阻测到的温度，然后再对流量进行补偿，最终通过简单的滤波方法来积分流量。这种方法在理想状态下是可以实现精确的流量计算，但是由于受限于加工精度，主要的测量模块（流量传感器和超声波基表）无法做到硬件参数的完全一致，这样就导致仅通过滤波算法无法在整个温度要求范围内得到精确的流量测量。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种宽范围的、低加工精度要求、自动温度补偿、高精度测量的大口径超声波水表流量测量的补偿方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种大口径超声波水表流量测量的补偿方法，其特征是：包括如下步骤：
1）通过时间测量模块的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间，通过换算得到当前流体的温度；
2）通过大量实验数据拟合温度和超声波声波传输的时间的关系公式；
3）利用关系公式来补偿TDC_GP22寄存器2中的屏蔽时间，来优化采样时机，获得准确的传播时间；
4）通过错波滤波算法，对传播时间进行滤波，最终得到稳定准确的超声波传播时间；
5）通过插值算法，积分得到准确的累计流量。
其中，所述时间测量模块为TDC_GP22。
具体地，包括以下步骤：
1）根据TDC_GP22的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间 t顺和t逆，即为超声波从超声波换能器a到超声波换能器b的飞行时间和从超声波换能器b到超声波换能器a的飞行时间；
2）通过公式T=C0²*Δt/(2L*k)计算得到流体的温度，其中，
C0为超声波在水中的传播速度，
k为温度修正经验系数,
Δt=t逆-t顺=2L*cosθ/(C0²-u²*cosθ)，u为流体的流动速度，θ为超声波换能器a和超声波换能器b之间之间的连线与流体的流动方向之间的夹角，
L为超声波换能器a和超声波换能器b之间的中心距离；
3）根据流体温度的变化来动态计算屏蔽时间，得到T和t之间的曲线；计算公式：
t=(74.606T²-8828.3T+(3E+06)*K
式中：t为屏蔽时间，T为流体温度，K为修正系数
通过精确的屏蔽时间，来优化采样时机，最终得到精确的传播时间。
4）采用错波滤波算法过滤掉错误的回波，得到稳定的超声波传播时间；
5）采用插值法对超声波水表进行校正：通过预先设定好的数据表，分别对流体温度和流量点进行插值计算，对累计流量机型补偿。
进一步地，在步骤3）中，用示波器来测量在不同流体温度下，超声波在流体中的传播时间。
本发明的有益效果是：
本发明可以在任意一个温度下，只需要一次合格的校正，就可以实现整个温度要求范围内的准确测量，方法简单，方便、快捷。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的补偿过程示意图。
（五）具体实施方式
附图为本发明的具体实施例。如图1所示，该种大口径超声波水表流量测量的补偿方法，包括如下步骤：
如图1所示，a,b为超声波换能器；L为a和b之间的中心距离，θ为a,b之间的连线与流体流动方向之间的夹角；
1）首先根据TDC_GP22的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间t顺和t逆，即为超声波从a到b的飞行时间和从b到a的飞行时间。
2）当流体以速度u流动时，超声波的实际传播速度C是声速C0和流体在声道方向上的速度分量的叠加，即：
C=C0+u*cosθ (2.1)
超声波在流体中顺流和逆流的传播时间分别为：
t顺=L/(C0+u*cosθ) (2.2)
t逆=L/(C0-u*cosθ) (2.3)
式中：C0为超声波在静止流体中的传播速度。
所以：t=t逆-t顺=2L*cosθ/(C0²-u²*cosθ) (2.4)
一般情况下，在多数工业系统中流体流速远小于声波传播的速度，即u²<<C0²，所以：
Δt=t逆-t顺=2L*u*cosθ/C0² (2.5)
即：u=C0²*Δt/(2L*cosθ) (2.6)
代入公式（2.1）可得到公式：
C=C0+C0²*Δt/2L (2.7)
根据在不同水温下超声波传播时间的不同得到经验公式
C=C0+k*T (2.8)
式中C0为超声波在水中的传播速度，k为温度修正经验系数,T为流体温度，
代入公式(2.8)中可以得到公式：
T=C0²*Δt/(2L*k) (2.9)
3）根据流体温度T的变化来动态计算屏蔽时间t（用来设置TDC-GP22中的Reg2寄存器），得到T和t之间的曲线公式。具体的做法是，用示波器来测量在不同温度下，超声波在流体中的传播时间，
通过大量的实验数据，得到以下公式：
t=(74.606T²-8828.3T+(3E+06)*K
式中：t为屏蔽时间，T为流体温度，K为修正系数
通过精确的屏蔽时间，来优化采样时机，最终得到精确的传播时间。
4）在长期使用过程中，由于杂质的沉积，反射面反射的信号会散射并减弱，超声波换能器接收到的信号强度也会变弱，这样在测量回波时，很容易出现错波的现象，我们采用错波滤波算法过滤掉错误的回波，得到稳定的超声波传播时间。
错波滤波算法：从理论分析可以知道，在流动的流体中，t逆>t顺，以此为判断依据对采样数据进行滤波。
通过对顺流时间和逆流时间的测量，得到6组时间数据，顺流时间（t顺1,t顺2,t顺3）和逆流时间(t逆1,t逆2,t逆3)各3组，t0为经验系数。
首先对前两组进行滤波计算：即t顺1,t顺2,t逆1,t逆2
a)首先验证t顺1和t逆1是同一组测量出来的顺流和逆流时间，即要符合 t顺1≤t逆1并且t顺1+t0＞t逆1,则时差为t逆1-t顺1。
b)不满足a的条件，则说明出现了错波现象，此时要用t顺2和t逆1进行匹配。即符合t顺2≤t逆1并且t顺2+t0>t逆1,则时差为t逆1-t顺2。
c)不满足b的条件，此时用t顺1和t逆2进行匹配，即符合t顺1≤t逆2并且t顺1+t0>t逆2,则时差为t逆2-t顺1。
d)以上条件均不符合，则时差默认设定为无意义。
然后再对后两组进行滤波计算：即t顺2、t逆2、t顺3和t逆3
e)首先验证t顺2和t逆2是同一组测量出来的顺流和逆流时间，即要符合 t顺2≤t逆2并且t顺2+t0>t逆2,则时差为t逆2-t顺2。
f)不满足e的条件，则说明出现了错波现象，此时要用t顺3和t逆2进行匹配。即符合t顺3≤t逆2并且t顺3+t0>t逆2,则时差为t逆2-t顺3。
g)不满足f的条件，此时用t顺2和t逆3进行匹配，即符合t顺2≤t逆3并且t顺2+t0>t逆3,则时差为t逆3-t顺2。
h)以上条件均不符合，则时差默认设定为无意义。
通过这种方法就可以得到两组稳定时差,再换算成流量。
5）在对超声波水表进行校正时，不可能对每一个温度点和流量点都进行校正，此时采用插值法，通过预先设定好的数据表，分别对温度和流量点进行插值计算，对累计流量机型补偿。通过此方法可以在任意一个温度下，只需要一次合格的校正，就可以实现整个温度要求范围内的准确测量。
除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。
Claims (4)
1.一种大口径超声波水表流量测量的补偿方法，其特征是：包括如下步骤：
1）通过时间测量模块的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间，通过换算得到当前流体的温度；
2）通过大量实验数据拟合温度和超声波声波传输的时间的关系公式；
3）利用关系公式来补偿TDC_GP22寄存器2中的屏蔽时间，来优化采样时机，获得准确的传播时间；
4）通过错波滤波算法，对传播时间进行滤波，最终得到稳定准确的超声波传播时间；
5）通过插值算法，积分得到准确的累计流量。
2.根据权利要求1所述的大口径超声波水表流量测量的补偿方法，其特征是，所述时间测量模块为TDC_GP22。
3.根据权利要求2所述的大口径超声波水表流量测量的补偿方法，其特征是，包括以下步骤：
1）根据TDC_GP22的第一波检测功能检测超声波在基表管段内的传播时间 t顺和t逆，即为超声波从超声波换能器a到超声波换能器b的飞行时间和从超声波换能器b到超声波换能器a的飞行时间；
2）通过公式T=C0²*Δt/(2L*k)计算得到流体的温度，其中，
C0为超声波在水中的传播速度，
k为温度修正经验系数,
Δt=t逆-t顺=2L*cosθ/(C0²-u²*cosθ)，u为流体的流动速度，θ为超声波换能器a和超声波换能器b之间之间的连线与流体的流动方向之间的夹角，
L为超声波换能器a和超声波换能器b之间的中心距离；
3）根据流体温度的变化来动态计算屏蔽时间，得到T和t之间的曲线；计算公式：
t=(74.606T²-8828.3T+(3E+06)*K
式中：t为屏蔽时间，T为流体温度，K为修正系数；
通过精确的屏蔽时间，来优化采样时机，最终得到精确的传播时间；
4）采用错波滤波算法过滤掉错误的回波，得到稳定的超声波传播时间；
5）采用插值法对超声波水表进行校正：通过预先设定好的数据表，分别对流体温度和流量点进行插值计算，对累计流量机型补偿。
4.根据权利要求3所述的大口径超声波水表流量测量的补偿方法，其特征是，在步骤3）中，用示波器来测量在不同温度下，超声波在流体中的传播时间。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: Room 2103 and 2104, 21 stories, Building 157 A, Shanda Road, Lixia District, Jinan City, Shandong Province Patentee after: JINAN RICHNES ELECTRONIC Co.,Ltd. Address before: Room 2103-2104, 21 storeys, Building 157 A, Shanda Road, Licheng District, Jinan City, Shandong Province Patentee before: JINAN RICHNES ELECTRONIC Co.,Ltd. |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A compensation method for flow measurement of large diameter ultrasonic water meter Effective date of registration: 20210629 Granted publication date: 20190726 Pledgee: Bank of Beijing Co.,Ltd. Jinan Branch Pledgor: JINAN RICHNES ELECTRONIC Co.,Ltd. Registration number: Y2021370000078 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230621 Granted publication date: 20190726 Pledgee: Bank of Beijing Co.,Ltd. Jinan Branch Pledgor: JINAN RICHNES ELECTRONIC Co.,Ltd. Registration number: Y2021370000078 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Compensation Method for Flow Measurement of Large Caliber Ultrasonic Water Meters Effective date of registration: 20230628 Granted publication date: 20190726 Pledgee: Bank of Beijing Co.,Ltd. Jinan Branch Pledgor: JINAN RICHNES ELECTRONIC Co.,Ltd. Registration number: Y2023980046322 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |