CN108168630B - 一种超声波水表检测装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波水表装置及流体流量测定方法，其超声波水表装置中的反射片嵌装于流道上，与超声波换能器表面成45度角，温度传感器连接水表管段，水表管段连接装配在下盒上，无线天线焊接在GP30芯片控制板上，GP30芯片控制板9装配于上灌封盒上。上灌封盒与下灌封盒固定成一个整体放入下盒内，扣上上盒紧固，防尘盖与上盒连接。是用上述装置测流体流量的测定方法是：1流体瞬时流量检测；2求取相对稳定的时差值及瞬时流量的计算；3管内水温度的获取；4流体瞬时流量的修正，得到计量的流体流量。本发明是由GP30芯片控制系统驱动超声波换能器进行测量流量的装置，在系统中加入了lora无线通讯功能，便于数据的通讯实现；提高了测量精度，扩大了测量范围；便于使用前的修正及用户的日常使用。

Description

一种超声波水表检测装置及测定方法

技术领域

本发明涉及流体流量测量领域，尤其是涉及一种超声波水表检测装置及测定方法。

背景技术

现今，全球水资源日益紧缺，水计量和水量控制工作的重要性日益彰显，水表的需求量也日益增长，然而目前我国水表产品仍以机械水表为主（包括“智能水表”基表）。随着新型流量传感技术的发展，智能型水表更加具有了竞争力，但高等级计量准确度，宽量程，更精准的小流量测量仍是各类水表的发展方向。

发明内容

机械式水表与超声波水表对比如下：

机械式水表采用叶轮转动计量流量，管道内阻流器件使机械水表流通能力低，非常容易堵塞，且磨损较为严重，使用寿命不长，从而导致更换频繁；相比之下，超声波水表基本无前后直管段安装要求，因此具有较高流通能力。

超声水表始动流量低，大大减少了机械水表小流量的漏计现象，可以使水费计量损失减到最低。

超声水表低压力损失，大大降低了功耗损失，减小了供水能耗。

超声水表可判断流体流向，并能分布计量正、反流量数值，且可测量流速、温度、累积流量，记录工作时间和故障时间等多种参数。机械式水表则无法判断反向安装，可能导致计量损失，给非法用水提供机会，且只能计量累积流量。

超声水表由于结构不存在磨损部件，只要管径不变，其精度就不会发生变化；而机械式水表由于结构上存在易磨损部件，其磨损程度会随着使用时间逐渐增大，导致精度随着时间的增长而降低，增大计量的误差。

发明内容

针对目前机械式水表存在的问题，提供一种测量精度相对较高且量程范围较宽的超声波水表装置及流体流量测定方法。

本发明为达到上述技术目的所采用的具体技术方案为：一种超声波水表检测装置，其特征是：

由水表管段1、1#反射片2、2#反射片17、流道3、温度传感器4、1#超声波换能器5、2#超声波换能器16、锂电池8、GP30芯片控制板9（GP30芯片18位于控制板9下方）及控制盒壳体10组成，控制盒壳体10由防尘盖11、上盒12、上灌封盒13、下灌封盒14及下盒15组成；1#反射片2、2#反射片17嵌装于流道3上，连接水表管段1，装配完成后，1#反射片2与1#超声波换能器5表面成45度角，2#反射片17与2#超声波换能器16表面成45度角，温度传感器4通过螺纹连接与水表管段1完成装配。固定板6将1#超声波换能器5表面压封的同时，通过螺纹连接与水表管段1完成装配，水表管段1通过螺纹连接装配在下盒15上，锂电池8放置于下灌封盒14，用尼龙扎带固定，无线天线7焊接在GP30芯片控制板9上，GP30芯片控制板9通过自攻螺钉螺纹装配于上灌封盒13上，上灌封盒13与下灌封盒14通过卡扣固定成一个整体后，放入下盒15内，扣上上盒12后，用自攻螺钉紧固，防尘盖11通过销轴与上盒12连接。

用上述装置流体流量的测定方法是：

1 流体瞬时流量检测：

由处理器发送命令，GP30芯片18进行流量测量，首先，GP30芯片18驱动上游的1#超声波换能器5发射预设的脉冲，下游的配对2#超声波换能器16接收到脉冲信号后经过处理，脉冲选择后到TDC计量部分，进时间数字转换，并将结果送到对应结果寄存器，处理器通过读取GP30状态标志寄存器判断测量是否结束，有无错误标志产生及结果是否更新等，进行相应的处理，读取结果；然后下游的2#超声波换能器16作为发射端，上游1#超声波换能器5作为接收端，重复上述过程，进行逆流飞行时间测量，处理器读取的两个方向的测量结果经过计算得到飞行时间差，再参照管段1参数进行瞬时流量的计算，即实现了流体瞬时流量检测；

2求取相对稳定的时差值及瞬时流量的计算：

在瞬时流量检测中，为了测量的稳定性更高，对获得的飞行时间差进行数字滤波处理，且选择一段时间的平均值来提高流体测量稳定性，经过处理后得到一个相对稳定的时差值，然后再由处理器进行下一步流量的计算；

获得飞行时间差后计算瞬时流量的公式如下：

公式说明：T:顺逆流飞行时间差

C:超声波声速

D:管段内径

L:两换能器之间的距离

V:瞬时流量值

由飞行时间的大小即可判断出水流方向，顺流时间小于逆流时间，并能够通过MCU设置标志位记录下当前流向状态；

3 温度的获取：

超声波声速与环境温度相关，因此在计算瞬时流量时，环境温度是需要测量获取的，MCU定时器设定合适的测量周期进行环境温度测量，由MCU发送测量温度命令到GP30芯片18，GP30芯片18测量PT1000温度传感器4及参考电阻对应于固定参考电容的放电时间，将结果存到对应结果寄存器，MCU通过读取GP30芯片18的状态寄存器，判断温度测量结果是否更新于结果寄存器，若更新，读取测量结果，根据放电时间，MCU计算温度传感器与参考电阻的比值，查表即获得当前的环境温度；

4 流体瞬时流量的修正：

经过大量实验，通过设置合适的修正点及对应修正系数到MCU，进行瞬时流量的修正，具体修正过程：在设置的各个修正点处连续多次检测，在重复性很好的前提下，计算得到实际流量与计算流量的比值即修正参数的获取，然后通过串口通讯软件将修正点及对应修正参数写入到表内，MCU内部预留出修正点及修正系数参数，执行修正过程完毕后，在进行流量计量时，计算得到瞬时流量后会判断该瞬时流量属于哪两个修正点之间，从而找到对应的修正系数值对该流速进行修正；

得到瞬时流量后，MCU可进行累计量的计算，计算处理完毕后将流速，流量等信息显示到LCD上；

MCU主控程序流程为：上电；屏蔽看门狗操作；MCU的各个I/O初始化；对GP30芯片18的内部寄存器进行配置，其中包括：脉冲发射的个数，脉冲的选择位置等参数进行初始化配置操作；液晶显示初始化操作；从内部存储器中读取保存的各个参数值：累计量，月用量等信息读取更新；定时器的初始化：按万年历部分运行基础，秒定时器初始化、设定流量测量及温度测量部分在各种不同模式下的运行周期；lora无线模块部分的初始化操作；进入低功耗状态，出现唤醒则进行以下处理操作：低电压数据保存、月用量保存、按键操作、温度测量，流量测量。

本发明的有益效果:

按本发明所提供的一种超声波水表检测装置，由于流道内部没有机械运动部件，不易阻塞且不易磨损，因此具有较高的流通能力、较长的使用寿命以及较稳定的精度值。内径为12.5mm的管段，经测量压损为0.04MPa以下，具有较低的压损值，降低了功耗损失，减小了供水能耗。

使用本发明的超声波水表检测装置的流体流量检测方法,能够实现高精度，宽量程的流体流量计量。而且在流体流量检测过程中，加入数字滤波处理及平均计算能够提高数据稳定性；具有较低的始动流量，性能更加优化；具有LORA无线通讯功能，方便获取表内信息；MCU程序内部的工作模式切换设置，也能够适应实际的应用及使用前的校准修正的实现。因此，对于智能型水表的发展具有一定的推动意义。

附图说明

图1是本发明超声波水表管段内部结构示意图；

图2是本发明超声波水表整表（管段已安装）的结构示意图；

图3是本发明流体流量的测定主控制程序流程示意图；

图中：1.水表管段 2.反射片1# 3 .流道 4 .温度传感器 5 . 1#超声波换能器 6. 固定板 7.无线天线 8 .锂电池 9 . GP30芯片控制板 10 .控制盒壳体 11.防尘盖 12. 上盒 13 .上灌封盒 14 .下灌封盒 15 .下盒 16. 2#超声波换能器17.反射片2# 18.GP30芯片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

实施例：

一种超声波水表装置及流体流量测定方法，其超声波水表装置，如图1，图2所示，DN15型号的超声波水表目前所设定最大流量为3 m3/h，R160即最小流量为0.016m3/h,始动流量为4L/h，量程范围较宽，精度较高。其连接关系是：

温度传感器4通过螺纹连接与水表管段1完成连接，温度传感器4另一端引线连接GP30芯片控制板9，采用的GP30芯片为acom公司的产品，用于超声波流量计量；1#反射片2与1#超声波换能器5表面成45度角，2#反射片17与2#超声波换能器16表面成45度角，1#超声波换能器5,2#超声波换能器16引线连接GP30芯片控制板9，1#超声波换能器5,2#超声波换能器16为广东奥迪威厂家的1MHz超声波换能器。控制盒壳体10包括防尘盖11、上盒12、上灌封盒13、下灌封盒14及下盒15. 1#反射片2、2#反射片17嵌装于流道3上，连接水表管段1。固定板6将1#超声波换能器5表面压封的同时，通过螺纹连接与水表管段1完成装配。水表管段1通过螺纹连接装配在下盒15上。锂电池8放置于下灌封盒14，用尼龙扎带固定。无线天线7焊接在GP30芯片控制板9上，GP30芯片控制板9通过自攻螺钉螺纹装配于上灌封盒13上。上灌封盒13与下灌封盒14通过卡扣固定成一个整体后，放入下盒15内，扣上上盒12后，用自攻螺钉紧固。防尘盖11通过销轴与上盒12连接。

配对的1#超声波换能器5, 2#超声波换能器16及高精度温度传感器4连接到GP30芯片控制板9，基于GP30芯片的控制处理系统通过驱动超声波换能器进行流量的计量，对比测量系温度传感器的放电时间进行温度的测量。

使用上述装置流体流量的测定方法是：

1流体瞬时流量检测：

由处理器发送命令，控制GP30芯片18进行流量测量。首先，GP30芯片18驱动上游的1#超声波换能器5发射预设的脉冲，下游的配对2#超声波换能器16接收到脉冲信号后经过处理，脉冲选择后到TDC计量部分，进时间数字转换，并将结果送到对应结果寄存器，处理器通过读取GP30芯片18的状态标志寄存器判断测量是否结束，有无错误标志产生及结果是否更新等，进行相应的处理，读取结果；然后下游的2#超声波换能器16作为发射端，上游1#换能器5作为接收端，重复上述过程，进行逆流飞行时间测量。处理器读取的两个方向的测量结果经过计算得到飞行时间差，再参照管段1对应参数进行瞬时流量的计算，即实现了流体瞬时流量检测。型号为DN15的超声波水表设置始动流量值为4L/h，始动流量低，大大减少了小流量的漏计现象，减小了水费计量损失；

2求取相对稳定的时差值及瞬时流量的计算：

在瞬时流量检测中，为了测量的稳定性更高，对获得的飞行时间差进行数字滤波处理，且选择一段时间的平均值来提高流体测量稳定性，经过处理后得到一个相对稳定的时差值，然后再由处理器进行下一步流量的计算；

获得飞行时间差后计算瞬时流量的公式如下： QUOTE

公式说明：T:顺逆流飞行时间差

C:超声波声速

D:管段内径

L:两换能器之间的距离

V:瞬时流量值

由飞行时间的大小即可判断出水流方向，顺流时间小于逆流时间，并能够通过MCU设置标志位记录下当前流向状态；

3温度的获取：

由MCU发送测量温度命令到GP30芯片18测量PT1000温度传感器4及参考电阻对应于固定参考电容的放电时间，将结果存到对应结果寄存器。MCU通过读取GP30芯片18 的状态寄存器，判断温度测量结果是否更新于结果寄存器，若更新，读取测量结果并运算。首先从GP30芯片18的结果寄存器中读取计算放电时间的参数，可通过查表方式由放电时间计算得电阻值比例进而得到对应温度值；

4流体瞬时修正：

经过大量实验，通过设置合适的修正点及对应修正系数到MCU，进行瞬时流量的修正。具体修正过程：在设置的各个修正点处连续多次检测，在重复性很好的前提下，计算得到实际流量与计算流量的比值即修正参数的获取，然后通过串口通讯软件将修正点及对应修正参数写入到表内（MCU内部预留出修正点及修正系数参数）。执行修正过程完毕后，在进行流量计量时，计算得到瞬时流量后会判断该瞬时流量属于哪两个修正点之间，从而找到对应的修正系数值对该流速进行修正。

MCU主控程序流程为：上电；屏蔽看门狗操作；MCU的各个I/O初始化；对GP30芯片18的内部寄存器进行配置，其中包括：脉冲发射的个数，脉冲的选择位置等参数进行初始化配置操作；液晶显示初始化操作；从内部存储器中读取保存的各个参数值：累计量，月用量等信息读取更新；定时器的初始化：按万年历部分运行基础，秒定时器初始化、设定流量测量及温度测量部分在各种不同模式下的运行周期；lora无线模块部分的初始化操作；进入低功耗状态，出现唤醒则进行以下处理操作：低电压数据保存、月用量保存、按键操作、温度测量，流量测量。

Claims (2)

1.一种超声波水表检测装置，其特征是：

由水表管段（1）、1#反射片（2）、2#反射片（17）、流道（3）、温度传感器（4）、1#超声波换能器（5）、2#超声波换能器（16）、锂电池（8）、GP30芯片控制板（9）及控制盒壳体（10）组成，控制盒壳体（10）由防尘盖（11）、上盒（12）、上灌封盒（13）、下灌封盒（14）及下盒（15）组成；1#反射片（2）、2#反射片（17）嵌装于流道（3）上，连接水表管段（1），装配完成后，1#反射片（2）与1#超声波换能器（5）表面成45度角，2#反射片（17）与2#超声波换能器（16）表面成45度角，温度传感器（4）通过螺纹连接与水表管段（1）完成装配；固定板（6）将1#超声波换能器（5）表面压封的同时，通过螺纹连接与水表管段（1）完成装配，水表管段（1）通过螺纹连接装配在下盒（15）上，锂电池（8）放置于下灌封盒（14），用尼龙扎带固定，无线天线（7）焊接在GP30芯片控制板（9）上，GP30芯片控制板（9）通过自攻螺钉螺纹装配于上灌封盒（13）上，上灌封盒（13）与下灌封盒（14）通过卡扣固定成一个整体后，放入下盒（15）内，扣上上盒（12）后，用自攻螺钉紧固，防尘盖（11）通过销轴与上盒（12）连接。

2.使用权利要求1所述装置的流体流量的测定方法，其特征是：

1 流体瞬时流量检测：

由处理器发送命令，GP30芯片（18）进行流量测量，首先，GP30芯片（18）驱动上游的1#超声波换能器（5）发射预设的脉冲，下游的配对2#超声波换能器（16）接收到脉冲信号后经过处理，脉冲选择后到TDC计量部分，进时间数字转换，并将结果送到对应结果寄存器，处理器通过读取GP30状态标志寄存器判断测量是否结束，有无错误标志产生及结果是否更新等，进行相应的处理，读取结果；然后下游的2#超声波换能器（16）作为发射端，上游1#超声波换能器（5）作为接收端，重复上述过程，进行逆流飞行时间测量，处理器读取的两个方向的测量结果经过计算得到飞行时间差，再参照管段（1）参数进行瞬时流量的计算，即实现了流体瞬时流量检测；

2 求取相对稳定的时差值及瞬时流量的计算：

在瞬时流量检测中，为了测量的稳定性更高，对获得的飞行时间差进行数字滤波处理，且选择一段时间的平均值来提高流体测量稳定性，经过处理后得到一个相对稳定的时差值，然后再由处理器进行下一步流量的计算；

获得飞行时间差后计算瞬时流量的公式如下：

公式说明：T:顺逆流飞行时间差

C:超声波声速

D:管段内径

L:两换能器之间的距离

V:瞬时流量值

由飞行时间的大小即可判断出水流方向，顺流时间小于逆流时间，并能够通过MCU设置标志位记录下当前流向状态；

3 温度的获取：

超声波声速与环境温度相关，因此在计算瞬时流量时，环境温度是需要测量获取的，MCU定时器设定合适的测量周期进行环境温度测量，由MCU发送测量温度命令到GP30芯片(18) ，GP30芯片( 18) 测量PT1000温度传感器( 4) 及参考电阻对应于固定参考电容的放电时间，将结果存到对应结果寄存器，MCU通过读取GP30芯片( 18) 的状态寄存器，判断温度测量结果是否更新于结果寄存器，若更新，读取测量结果，根据放电时间，MCU计算温度传感器与参考电阻的比值，查表即获得当前的环境温度；

4 流体瞬时流量的修正：

经过大量实验，通过设置合适的修正点及对应修正系数到MCU，进行瞬时流量的修正；

具体修正过程：在设置的各个修正点处连续多次检测，在重复性很好的前提下，计算得到实际流量与计算流量的比值即修正参数的获取，然后通过串口通讯软件将修正点及对应修正参数写入到表内，MCU内部预留出修正点及修正系数参数，执行修正过程完毕后，在进行流量计量时，计算得到瞬时流量后会判断该瞬时流量属于哪两个修正点之间，从而找到对应的修正系数值对该流速进行修正；

得到瞬时流量后，MCU可进行累计量的计算，计算处理完毕后将流速，流量等信息显示到LCD上；

MCU主控程序流程为：上电；屏蔽看门狗操作；MCU的各个I/O初始化；对GP30芯片( 18)的内部寄存器进行配置，其中包括：脉冲发射的个数，脉冲的选择位置等参数进行初始化配置操作；液晶显示初始化操作；从内部存储器中读取保存的各个参数值：累计量，月用量等信息读取更新；定时器的初始化：按万年历部分运行基础，秒定时器初始化、设定流量测量及温度测量部分在各种不同模式下的运行周期；lora无线模块部分的初始化操作；进入低功耗状态，出现唤醒则进行以下处理操作：低电压数据保存、月用量保存、按键操作、温度测量，流量测量。