CN108489562B - 一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统及方法。解决现有技术中水表受水中杂质影响，寿命短，以及受温度影响，需要激励电压，共振频率高的问题。系统包括水表、超声波传感器、信号处理模块，水表内置水管中间段设置有方形的共振腔，超声波传感器包括第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元，信号处理模块包括信号产生单元、共振跟踪单元、信号调理单元、信号采集单元、计算显示单元。本发明采集水流中超声共振信号，进行调制滤波，计算获取滤波信号相位差，根据相位差与水路速度关系计算得到水流速度和流量，结构简单，不受水中杂质以及水温因素的影响，无需较高电压激励，超声波传感器频率也较低。

Description

一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统及方法
技术领域
本发明涉及一种智能仪表和信号分析领域，尤其是涉及一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统及方法。
背景技术
水表是用来计量家庭用水，工业用水的常见仪表。按照其测量原理一般可分为速度式仪表和容积式仪表。传统上，这两种原理的仪表都是机械式的，内部存在活动部件和阻流元件，容易受到水中杂质的影响，寿命较短。新式的基于超声波的水表则解决这一问题，同时具有精度较高，启动流速低等特点。现有超声波水表的原理一般基于时差法进行水流速度的检测的，也就是检测超声波在水中顺流逆流传播时因水流速度变化而产生的时差，然后再结合当前温度，水中声速计算。基于时差法的超声波水表需要实时采集温度对声速进行校正，发射超声波也需要一定幅度以上的激励电压，为了达到较高精度，超声探头的共振频率很高。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中水表受水中杂质影响，寿命短，以及受温度影响，需要激励电压，共振频率高的问题，提供了一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统及方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统，包括水表、安装在水表表面的超声波传感器、信号处理模块，水表内置水管中间段设置有方形的共振腔，超声波传感器包括第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元，信号处理模块包括信号产生单元、共振跟踪单元、信号调理单元、信号采集单元、计算显示单元，所述信号产生单元分别与第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元、信号调理单元相连，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与共振跟踪单元相连，共振跟踪单元与信号产生单元相连，信号调理单元与信号采集单元相连，信号采集单元与计算显示单元相连。
本发明采集水流中超声共振信号，进行调制滤波，计算获取滤波信号相位差，根据相位差与水路速度关系计算得到水流速度和流量。本发明基于超声波共振系统，结构简单，不受水中杂质以及水温因素的影响，无需较高电压激励，超声波传感器频率也较低。其中第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别用于接收和发射超声波信号；信号产生单元用于产生超声波发射信号与调制信号；共振跟踪单元通过扫描频率跟踪，跟踪水管共振腔的共振频率；信号调理单元用于将信号进行幅度放大、调制，并将调制信号进行低频滤波；信号采集单元用于采集系统滤波得到的接收信号；计算显示单元用于得到最终接收信号，计算当前时刻水速以及累计水量，并显示给用户。水表中水管中段为匹配超声波传感器频率的方形水管，该方形水管形成共振腔，方形共振腔使得能够在腔内形成共振。
作为一种优选方案，第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元安装在水表共振腔上表面或下表面上，所述共振腔上下表面之间的距离与超声波传感器发射超声波在水中的波长的一半成正比，第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元的距离与共振腔上下表面之间的距离相同。本方案中第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元安装在共振腔同一侧表面上，共振腔上下表面间距和超声波长的倍数相近。
作为一种优选方案，所述信号调理单元包括依次连接的信号放大单元、乘法器单元和低频滤波单元，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与信号放大单元连接，信号产生单元与乘法器单元连接，低频滤波单元与信号采集单元连接。本方案中对超声波传感器检测到的信号进行幅度放大，与其频率差为特定的信号进行频率调制，最后进行低频滤波，可以得到携带原来频率相位信息的固定频率的低频信号。
一种基于超声波共振的水管流速检测方法，包括以下步骤：
S1.每个一段时间内实时跟踪共振腔的共振频率；将跟踪得到的共振频率作为信号发送单元的工作频率。
S2.在顺水流和逆水流下发射超声波，在共振腔内形成共振，采集共振信号；由第一信号接收发射单元发射，第二信号接收发射单元接收，假设此过程顺水流，反之由第二信号接收发射单元发射，第一信号接收发射单元接收则为逆水流。
S3.对共振信号进行调制滤波，计算获得顺水和逆水的系统相位延时；
S4.基于顺水和逆水的系统相位延时计算获取某时刻水流速度和一端时间内水的流量。
本发明采集水流中超声共振信号，进行调制滤波，计算获取滤波信号相位差，根据相位差与水路速度关系计算得到水流速度和流量。本发明不受水温因素的影响，检测方便，检测精度高。
作为一种优选方案，步骤S1中跟踪共振腔的共振频率的过程包括：
S11.根据水温的波动和水流速度确定超声波频率扫描范围；
S12.设定大步长在大频率范围内进行一次频率扫描，选择接收信号幅度最大的信号的频率作为粗略的共振频率；大步长为较大的步长，大频率范围对应0-100摄氏度的共振频率。超声波频率信号由信号产生单元产生，通过第一信号接收发射单元/第二信号接收发射单元在水中发射。第二信号接收发射单元/第一信号接收发射单元对发射的信号进行接收，发送给共振跟踪单元进行分析。
S13.在粗略的共振频率附近的小频率范围内以小步长扫描获取精确的共振频率，使用精确的共振频率作为工作频率；获得共振频率然后由信号产生单元产生共振频率信号。
S14.每隔一段时间在原有精确的工作频率附近以小步长扫描，选择接收信号幅度最大的频率作为当前时间段的工作频率。由于超声波在水中的速度随温度和水流速度而变化，需要对发射超声形成的共振进行共振实时跟踪，每隔一段时间在原有共振频率附近均匀间隔的频率扫描，获得的共振频率作为信号产生单元的工作频率。
作为一种优选方案，步骤S3中获得顺水和逆水的系统相位延时的过程包括：
S31.分别在顺水流和逆水流情况下，发射并接收共振频率信号；
S32.接收到共振频率信号进行幅度放大；在放大单元内进行。
S33.信号产生单元产生调制乘法信号发送给乘法器单元，将工作频率信号与调制乘法信号相乘；
S34.对调制后信号进行低频滤波；在低频滤波单元内进行。
S35.由信号采集单元采集分别获得顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号；经过放大，DAC乘法器和低频滤波后，得到携带原来频率相位信息的固定频率的低频信号，即顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号。
S36.对顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号进行相位差计算，获得顺水和逆水的系统相位延时。采用自相关法或过零法进行相位差计算。
作为一种优选方案，步骤S4中获取某时刻水流速度和一端时间内水的流量计算过程包括：
S41.通过实际标定，获得顺水和逆水的系统相位延时的正比关系图；
S42.根据正比关系图获取当前平均水流速度Vt；
S43.根据水流速度Vt计算一端时间内的水量，计算公式为：
Figure BDA0001576404000000051
其中S为共振腔的截面积，T为设定的一段时间；设定单次处理时间为Δt，则将上式离散化为：
Figure BDA0001576404000000052
其中T＝NΔt，n＝0,1,2…N。
作为一种优选方案，发射的共振频率信号和调制乘法信号的初始相位相同，初始相位均为0。初始相位相同以便于后续处理。
因此，本发明的优点是：基于超声波共振系统，结构简单，不受水中杂质以及水温因素的影响，无需较高电压激励，超声波传感器频率也较低。
附图说明
附图1是本发明的一种结构框示图。
1-共振跟踪单元2-信号产生单元3-第一信号接收发射单元 4-第二信号接收发射单元5-信号调理单元51-信号放大单元 52-乘法器单元53-低频滤波单元6-信号采集单元7-计算显示单元。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统，包括水表、安装在水表表面的超声波传感器、信号处理模块，水表内置水管中间段设置有方形的共振腔。超声波传感器包括第一信号接收发射单元3和第二信号接收发射单元4，如图1所示，信号处理模块包括信号产生单元2、共振跟踪单元1、信号调理单元5、信号采集单元6、计算显示单元7，信号产生单元分别与第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元、信号调理单元相连，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与共振跟踪单元相连，共振跟踪单元与信号产生单元相连，信号调理单元与信号采集单元相连，信号采集单元与计算显示单元相连。
信号调理单元包括依次连接的信号放大单元51、乘法器单元52 和低频滤波单元53，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与信号放大单元连接，信号产生单元与乘法器单元连接，低频滤波单元与信号采集单元连接。
第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元安装在水表共振腔上表面或下表面上，共振腔上下表面之间的距离与超声波传感器发射超声波在水中的波长的一半成正比，第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元的距离与共振腔上下表面之间的距离相同。
一种基于超声波共振的水管流速检测方法，包括以下步骤：
S1.每个一段时间内实时跟踪共振腔的共振频率；过程包括：
S11.根据水温的波动和水流速度确定超声波频率扫描范围；
S12.设定大步长在大频率范围内进行一次频率扫描，选择接收信号幅度最大的信号的频率作为粗略的共振频率；
S13.在粗略的共振频率附近的小频率范围内以小步长扫描获取精确的共振频率，使用精确的共振频率作为工作频率；
S14.每隔一段时间在原有精确的工作频率附近以小步长扫描，选择接收信号幅度最大的频率作为当前时间段的工作频率。
S2.在顺水流和逆水流下发射超声波，在共振腔内形成共振，采集共振信号；
S3.对共振信号进行调制滤波，计算获得顺水和逆水的系统相位延时；过程包括：
S31.分别在顺水流和逆水流情况下，发射并接收共振频率信号；
S32.接收到共振频率信号进行幅度放大；
S33.信号产生单元产生调制乘法信号发送给乘法器单元，将工作频率信号与调制乘法信号相乘；发射的共振频率信号和调制乘法信号的初始相位相同，初始相位均为0。
S34.对调制后信号进行低频滤波；
S35.由信号采集单元采集分别获得顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号；
S36.对顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号进行相位差计算，获得顺水和逆水的系统相位延时。
S4.基于顺水和逆水的系统相位延时计算获取某时刻水流速度和一端时间内水的流量。计算过程包括：
S41.通过实际标定，获得顺水和逆水的系统相位延时的正比关系图；
S42.根据正比关系图获取当前平均水流速度Vt；
S43.根据水流速度Vt计算一端时间内的水量，计算公式为：
Figure BDA0001576404000000081
其中S为共振腔的截面积，T为设定的一段时间；设定单次处理时间为Δt，则将上式离散化为：
Figure BDA0001576404000000082
其中T＝NΔt，n＝0,1,2…N。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了共振跟踪单元、信号产生单元、第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统，其特征在于：包括水表、安装在水表表面的超声波传感器、信号处理模块，水表内置水管中间段设置有方形的共振腔，超声波传感器包括第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元，信号处理模块包括信号产生单元、共振跟踪单元、信号调理单元、信号采集单元、计算显示单元，所述信号产生单元分别与第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元、信号调理单元相连，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与共振跟踪单元相连，共振跟踪单元与信号产生单元相连，信号调理单元与信号采集单元相连，信号采集单元与计算显示单元相连；
第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别用于接收和发射超声波信号，在顺水流和逆水流下发射超声波，在共振腔内形成共振，采集共振信号；顺水流过程，由第一信号接收发射单元发射，第二信号接收发射单元接收，逆水流过程，由第二信号接收发射单元发射，第一信号接收发射单元接收；
信号调理单元对共振信号进行调制滤波；
计算显示单元计算获得顺水和逆水的系统相位延时；基于顺水和逆水的系统相位延时计算获取某时刻水流速度和一段时间内水的流量；计算过程包括：
S41.通过实际标定，获得顺水和逆水的系统相位延时的正比关系图；
S42.根据正比关系图获取当前平均水流速度Vt；
S43.根据水流速度Vt计算一段时间内的水量，计算公式为：
Figure FDA0002595392530000021
其中S为共振腔的截面积，T为设定的一段时间；设定单次处理时间为Δt，则将上式离散化为：
Figure FDA0002595392530000022
其中T＝NΔt，n＝0,1,2…N。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统，其特征是第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元安装在水表共振腔上表面或下表面上，所述共振腔上下表面之间的距离与超声波传感器发射超声波在水中的波长的一半成正比，第一信号接收发射单元和第二信号接收发射单元的距离与共振腔上下表面之间的距离相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的水管流速检测水表系统，其特征是所述信号调理单元包括依次连接的信号放大单元、乘法器单元和低频滤波单元，第一信号接收发射单元、第二信号接收发射单元分别与信号放大单元连接，信号产生单元与乘法器单元连接，低频滤波单元与信号采集单元连接。
4.一种基于超声波共振的水管流速检测方法，采用权利要求1-3任一项中的系统，其特征是包括以下步骤：
S1.每个一段时间内实时跟踪共振腔的共振频率；
S2.在顺水流和逆水流下发射超声波，在共振腔内形成共振，采集共振信号；
S3.对共振信号进行调制滤波，计算获得顺水和逆水的系统相位延时；过程包括：
S31.分别在顺水流和逆水流情况下，发射并接收共振频率信号；
S32.接收到共振频率信号进行幅度放大；
S33.信号产生单元产生调制乘法信号发送给乘法器单元，将工作频率信号与调制乘法信号相乘；
S34.对调制后信号进行低频滤波；
S35.由信号采集单元采集分别获得顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号；
S36.对顺水流接收滤波信号和逆水流接收滤波信号进行相位差计算，获得顺水和逆水的系统相位延时；
S4.基于顺水和逆水的系统相位延时计算获取某时刻水流速度和一段时间内水的流量；计算过程包括：
S41.通过实际标定，获得顺水和逆水的系统相位延时的正比关系图；
S42.根据正比关系图获取当前平均水流速度Vt；
S43.根据水流速度Vt计算一段时间内的水量，计算公式为：
Figure FDA0002595392530000031
其中S为共振腔的截面积，T为设定的一段时间；设定单次处理时间为Δt，则将上式离散化为：
Figure FDA0002595392530000041
其中T＝NΔt，n＝0,1,2…N。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声波共振的水管流速检测方法，其特征是步骤S1中跟踪共振腔的共振频率的过程包括：
S11.根据水温的波动和水流速度确定超声波频率扫描范围；
S12.设定大步长在大频率范围内进行一次频率扫描，选择接收信号幅度最大的信号的频率作为粗略的共振频率；
S13.在粗略的共振频率附近的小频率范围内以小步长扫描获取精确的共振频率，使用精确的共振频率作为工作频率；
S14.每隔一段时间在原有精确的工作频率附近以小步长扫描，选择接收信号幅度最大的频率作为当前时间段的工作频率。
6.根据权利要求4所述的一种基于超声波共振的水管流速检测方法，其特征是发射的共振频率信号和调制乘法信号的初始相位相同，初始相位均为0。
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