CN110455358A - 一种可计量与校验的超声波水表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可计量与校验的超声波水表。其计量与校验方法包括以下步骤：计算顺水流方向超声波的传播时延sa(t)和逆水流方向超声波的传播时延sb(t)、获取水流静止时超声波传播时延、计算当前时刻的流速计量值va(t)、计算当前时刻的流速校验值va(t)、校验及修正流速计量值、计算水流量。本发明解决了现有超声波水表计量误差大且不能直接根据两个超声波探头得到的数据进行流速校验的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于超声波水表技术领域，特别是涉及一种可计量与校验的超声波水表。
背景技术
现有的超声波水表由超声波探头、信号处理单元、显示单元等几部分组成。超声波水表中内置两个相向的超声波探头同时发射和接收超声波，根据这两个超声波探头接收到超声波的时间差计算出当前的水流速度，再根据段横截面积算出瞬时水流量。现有的超声波水表结构分为V型、W型、X型和Z型，其中V型和W型超声波水表都需要依靠管壁反射，存在信号方向特性差，声波损失较大，计量误差较大；X型超声波水表的声道与水流方向不平行，水流的速度分量会引起较大的计量误差；中国专利CN208140207U中提出一种Z型结构超声波水表段，其超声波声道与水流方向平行，如图1所示。
上述超声波水表中两个超声波探头需要同时发射和接收超声波，用于计算流速及流量，不能直接根据两个超声波探头得到的数据进行流速校验，另外，水流中心处水流的速度快，水流边缘处水流的速度慢，现有超声波水表检测水流的位置为水流中心处，导致检测的流速和水流量大于实际值。因此需要一种在现有超声波水表结构基础上对流速进行校验且计量误差小的超声波水表方案。为此，提出一种可计量与校验的超声波水表。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有超声波水表计量误差大且不能直接根据两个超声波探头得到的数据进行流速校验的问题，提出一种可计量与校验的超声波水表。
本发明可采用超声波水表，包括进水段、出水段和测量段；其特征在于：所述测量段与进水段连接的一端配备一个超声波发生器和一个超声波接收器，所述测量段与出水段连接的一端配备与超声波发生器相对设置的一个超声波接收器和与超声波接收器相对设置的一个超声波发生器，所述超声波发生器产生及发射超声波并记录发射时间，所述超声波接收器接收超声波并记录接收时间；所述测量段与进水段连接的一端配备超声波发生器及相对设置的超声波接收器(顺水流方向)与计量电路连接，另一对超声波发生器和接收器(逆水流方向)与校验电路连接。上述计量电路和校验电路被安装在包含处理器的单片机中，在单片机的存储器中存储超声波水表计量及校验程序。
前置基础：超声波水表中配备温度传感器，用于检测水流温度；事先检测不同温度下水流静止时超声波传播时延，建立温度与水流静止时超声波传播时延对应表。
本发明的超声波水表计量与校验方法，包括以下步骤：
获取顺水流方向超声波发射和接收时刻值并计算顺水流方向超声波的传播时延sa(t)，其中t表示采样时刻；同步获取逆水流方向超声波发射和接收时刻值并计算逆水流方向超声波的传播时延sb(t)；
获取事先检测的水流静止时超声波传播时延，记为h。所述水流静止时超声波传播时延h是根据当前采样时刻的温度从温度与水流静止时超声波传播时延对应表中获取。
根据事先设置的超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h以及顺水流方向超声波的传播时延sa(t)计算当前时刻的流速计量值va(t)。所述当前时刻的流速计量值其中α是事先设置的计算系数；所述计算系数α根据水流对超声波的阻滞或损耗或超声波检测水流的位置设置。
根据超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h及逆水流方向超声波的传播时延sb(t)计算当前时刻的流速校验值vb(t)。所述当前时刻的流速校验值
判断流速计量值va(t)与流速校验值vb(t)的偏差是否大于事先设置的阈值，若是则分析va(t)和vb(t)及对当前时刻流速计量值va(t)进行修正；否则判定流速计量无明显偏差。所述分析va(t)和vb(t)是将va(t)和vb(t)与其上一次数据进行比较，比上一次数据偏差小的数据作为修正依据。所述对当前时刻流速计量值va(t)进行修正是指，当va(t)作为修正依据时令va(t)＝va(t)+v1，当vb(t)作为修正依据时令va(t)＝vb(t)或va(t)＝vb(t)+v2，其中v1和v2为va(t)和vb(t)的加权值。
根据流速计量值va(t)及事先设置的超声波水表内径D计算从当前时刻开始一段时间内水表的总流量m，其中内径D是指超声波水表测量段的内径。所述从当前时刻开始一段时间内水表的总流量其中T是时间段长度。
本发明的一种超声波水表，包括：
水表本体；
一个或多个处理器；
可读存储介质；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在可读存储介质中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述方法。
所述水表本体包括进水段、出水段和测量段；所述测量段与进水段连接的一端配备一个超声波发生器和一个超声波接收器，所述测量段与出水段连接的一端配备与超声波发生器相对设置的一个超声波接收器和与超声波接收器相对设置的一个超声波发生器；所述测量段与进水段连接的一端配备超声波发生器及相对设置的超声波接收器与计量电路连接，另一对超声波发生器和接收器与校验电路连接。
超声波检测水流的位置与水流中心线的平行距离范围为[0,D/2)，其中D为测量段内径；所述超声波检测水流的位置可调节，调节超声波检测水流位置是依托固定超声波发生器和接收器的装置，调整方式包括沿轴线移动或者螺旋移动，其中轴线或螺旋内嵌或安装在固定超声波发生器和接收器的装置中。
本发明的方法具有的优点是：
(1)根据逆水流方向超声波传播时延计算的流速值，用于校验顺水流方向超声波时延计算的流速值，可以在不改变现有超声波水表结构的基础上，实现超声波水表校验，提高计量准确性。
(2)本发明测量的是水表管段中间偏外的水流速度，相比传统的超声波水表测量水表管段中间的水流速度(整个水流中间的速度是最快的)导致计量值比实际值偏大，可以有效减小计量误差。
(3)考虑水流温度对超声波传播速度的影响，避免水流温度对计量精度的影响。
(4)超声波检测水流的位置与水流中心线的平行位置可调节，可以有效减少水流量的检测误差。
附图说明
图1是背景技术中Z型结构超声波水表段结构图；
图2是本发明实施例的超声波水表结构示意图；
图3是本发明实施例的温度与水流静止时超声波传播时延对应表；
图4是本发明实施例的超声波水表计量与校验方法流程图；
图5是本发明实施例的一体超声波水表结构示意图；
图6是本发明实施例的一体超声波水表结构示意图；
图7是本发明实施例的的检测水流位置的调节方式示意图。
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
本发明实施例采用的超声波水表，其结构示意图如图2所示，包括进水段(1)、出水段(2)和测量段(3)；其特征在于：所述测量段(3)与进水段(1)连接的一端配备一个超声波发生器(41)和一个超声波接收器(51)，所述测量段(3)与出水段(2)连接的一端配备与超声波发生器(41)相对设置的一个超声波接收器(42)和与超声波接收器(51)相对设置的一个超声波发生器(52)，所述超声波发生器产生及发射超声波并记录发射时间，所述超声波接收器接收超声波并记录接收时间；所述测量段与进水段连接的一端配备超声波发生器(41)及相对设置的超声波接收器(42)(顺水流方向)与计量电路电连接，另一对超声波发生器(52)和接收器(51)(逆水流方向)与校验电路电连接。上述计量电路和校验电路被安装在包含处理器的单片机中，在单片机的存储器中存储超声波水表计量及校验程序。
前置基础：超声波水表中配备温度传感器，用于检测水流温度；事先检测不同温度下水流静止时超声波传播时延，建立温度与水流静止时超声波传播时延对应表，如图3所示。
本发明实施例的超声波水表计量与校验方法，包括以下步骤：
S01、获取顺水流方向超声波发射和接收时刻值并计算顺水流方向超声波的传播时延sa(t)，其中t表示采样时刻；同步获取逆水流方向超声波发射和接收时刻值并计算逆水流方向超声波的传播时延sb(t)。本实施例中，事先设置的采样时间间隔为10-5秒，根据当前时刻采集的顺水流方向超声波发射时刻值和接收时刻值计算顺水流方向超声波的传播时延sa(t)＝4.37×10-5秒，根据当前时刻获取的逆水流方向超声波发射时刻值和接收时刻值计算逆水流方向超声波的传播时延sb(t)＝4.43×10-5秒。
S02、获取事先检测的水流静止时超声波传播时延，记为h。所述水流静止时超声波传播时延h是根据当前采样时刻的温度从温度与水流静止时超声波传播时延对应表中获取。本实施例中，获取当前时刻温度传感器检测的温度数据为20℃；获取与当前时刻温度对应的水流静止时超声波传播时延h＝4.4×10-5秒。
S03、根据事先设置的超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h以及顺水流方向超声波的传播时延sa(t)计算当前时刻的流速计量值va(t)。所述当前时刻的流速计量值其中α是事先设置的计算系数，所述计算系数α根据水流对超声波的阻滞或损耗或超声波检测水流的位置设置。本实施例中，事先设置的超声波发生器与接收器之间的距离L＝64毫米＝0.064米，事先设置的计算系数α＝1，计算当前时刻的流速计量值
S04、根据超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h及逆水流方向超声波的传播时延sb(t)计算当前时刻的流速校验值vb(t)。所述当前时刻的流速校验值本实施例中，L＝0.064米，α＝1，计算当前时刻的流速校验值
S05、判断流速计量值va(t)与流速校验值vb(t)的偏差是否大于事先设置的阈值，若是则分析va(t)和vb(t)及对当前时刻流速计量值va(t)进行修正；否则判定流速计量无明显偏差。所述分析va(t)和vb(t)是将va(t)和vb(t)与其上一次数据进行比较，比上一次数据偏差小的数据作为修正依据。所述对当前时刻流速计量值va(t)进行修正是指，当va(t)作为修正依据时令va(t)＝va(t)+v1，当vb(t)作为修正依据时令va(t)＝vb(t)或va(t)＝vb(t)+v2，其中v1和v2为va(t)和vb(t)的加权值。本实施例中，事先设置的阈值U＝0.1米/秒，计算当前时刻的流速计量值va(t)与流速校验值vb(t)的偏差u＝|va(t)-vb(t)|＝9.99-9.85＝0.14米/秒>U，则分析va(t)和vb(t)及对当前时刻流速计量值va(t)进行修正，其中va(t-1)＝10，vb(t-1)＝10，va(t)与va(t-1)偏差为0.01，vb(t)与vb(t-1)偏差为0.15，va(t)与上一次数据偏差小，将va(t)作为修正依据，根据va(t)和vb(t)的加权值0.006和0.004计算v1＝0.006va(t)+0.004vb(t)＝0.0006×9.99+0.0004×9.85＝0.01，则va(t)＝va(t)+v1＝9.99+0.01＝10米/秒。
S06、根据流速计量值va(t)及事先设置的超声波水表内径D计算从当前时刻开始一段时间内水表的总流量m，其中内径D是指超声波水表测量段的内径。所述从当前时刻开始一段时间内水表的总流量其中T是时间段长度。本实施例中，一段时间T＝10秒，设当前时刻开始10秒内的所有采样时刻计算出的流速计量值va(t)为10米/秒，事先设置的超声波水表内径D＝113平方毫米＝1.13×10-4平方米，计算从当前时刻开始一段时间T内水表的总流量立方米。
本发明实施例的超声波水表计量与校验方法流程图，如图4所示。
本发明的一种超声波水表，包括：
水表本体；
一个或多个处理器；
可读存储介质；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在可读存储介质中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述实施例的方法。
所述水表本体包括进水段、出水段和测量段；所述测量段与进水段连接的一端配备一个超声波发生器和一个超声波接收器，所述测量段与出水段连接的一端配备与超声波发生器相对设置的一个超声波接收器和与超声波接收器相对设置的一个超声波发生器；所述测量段与进水段连接的一端配备超声波发生器及相对设置的超声波接收器与计量电路连接，另一对超声波发生器和接收器与校验电路连接。
超声波检测水流的位置与水流中心线的平行距离范围为[0,D/2)，其中D为测量段内径；所述超声波检测水流的位置可调节，调节超声波检测水流位置是依托固定超声波发生器和接收器的装置，调整方式包括沿轴线移动或者螺旋移动，其中轴线或螺旋内嵌或安装在固定超声波发生器和接收器的装置中。本实施例中，超声波检测水流的位置与水流中心线的平行距离为D/8，位置可调节，在图2中用点划线表示水流中心线，虚线表示超声波检测水流的位置。另外，本实施例中超声波水表结构还可以采用如图5或图6所示的一体超声波水表结构，在同一端的超声波发生器或接收器是一体的，其检测水流的位置如图中虚线所示，与水流中心线(点划线)的平行距离为D/8。
调节超声波检测水流位置是依托固定超声波发生器和接收器的装置，调整方式包括沿轴线移动或者螺旋移动，其中轴线或螺旋内嵌在固定超声波发生器和接收器的装置中。如图7所示，加粗的实线表示测量段(3)的外壳，未加粗的实线(31)表示固定超声波发生器(41、52)和接收器(42、51)的装置，超声波发生器和接收器可以沿轴线移动(图7(a))或螺旋移动(图7(b))，虚线表示超声波检测水流的位置，与水流中心线平行。
在本实施例描述的超声波水表中，正向(顺水流方向)的超声波发生器和超声波接收器用于计量水流速，逆向(逆水流方向)的超声波发生器和超声波接收器用于校验水流速。本发明所述的超声波水表计量与校验方法也适用于逆向计量水流速，正向校验水流速的超声波水表。
本发明提出的超声波水表计量与校验方法适用于本专利提出的配备两对反向的超声波发生器和超声波接收器的超声波水表结构，也适用于传统的配备两个同时发射和接收超声波的超声波探头的超声波水表结构，还适用于配备两对同向的超声波发生器和超声波接收器的超声波水表结构。
当然，本技术领域中的普通技术用户应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波水表计量与校验方法，其特征在于包括以下步骤：
获取顺水流方向超声波发射和接收时刻值并计算顺水流方向超声波的传播时延sa(t)，其中t表示采样时刻；同步获取逆水流方向超声波发射和接收时刻值并计算逆水流方向超声波的传播时延sb(t)；
获取事先检测的水流静止时超声波传播时延，记为h；
根据事先设置的超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h以及顺水流方向超声波的传播时延sa(t)计算当前时刻的流速计量值va(t)；
根据超声波发生器与接收器之间的距离L、水流静止时超声波传播时延h及逆水流方向超声波的传播时延sb(t)计算当前时刻的流速校验值vb(t)；
判断流速计量值va(t)与流速校验值vb(t)的偏差是否大于事先设置的阈值，若是则分析va(t)和vb(t)及对当前时刻流速计量值va(t)进行修正；否则判定流速计量无明显偏差；
根据流速计量值va(t)及事先设置的超声波水表内径D计算从当前时刻开始一段时间内水表的总流量m。
2.根据权利要求1所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述超声波水表中配备温度传感器，用于检测水流温度；所述超声波水表检测不同温度下水流静止时超声波传播时延，建立温度与水流静止时超声波传播时延对应表。
3.根据权利要求2所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述水流静止时超声波传播时延h是根据当前采样时刻的温度从温度与水流静止时超声波传播时延对应表中获取。
4.根据权利要求1所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述当前时刻的流速计量值其中α是事先设置的计算系数，所述计算系数α根据水流对超声波的阻滞或损耗或超声波检测水流的位置设置；所述当前时刻的流速校验值
5.根据权利要求1所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述分析va(t)和vb(t)是将va(t)和vb(t)与其上一次数据进行比较，比上一次数据偏差小的数据作为修正依据。
6.根据权利要求5所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述对当前时刻流速计量值va(t)进行修正是指，当va(t)作为修正依据时令va(t)＝va(t)+v1，当vb(t)作为修正依据时令va(t)＝vb(t)或va(t)＝vb(t)+v2，其中v1和v2为va(t)和vb(t)的加权值。
7.根据权利要求1所述的超声波水表计量与校验方法，其特征在于，所述从当前时刻开始一段时间内水表的总流量其中T是时间段长度。
8.一种超声波水表，包括：
水表本体；
一个或多个处理器；
可读存储介质；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在可读存储介质中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-8所述的方法。
9.根据权利要求8所述的超声波水表，其特征在于，所述水表本体包括进水段、出水段和测量段；所述测量段与进水段连接的一端配备一个超声波发生器和一个超声波接收器，所述测量段与出水段连接的一端配备与超声波发生器相对设置的一个超声波接收器和与超声波接收器相对设置的一个超声波发生器；所述测量段与进水段连接的一端配备超声波发生器及相对设置的超声波接收器与计量电路连接，另一对超声波发生器和接收器与校验电路连接。
10.根据权利要求9所述的超声波水表，其特征在于，超声波检测水流的位置与水流中心线的平行距离范围为[0,D/2)，其中D为测量段内径；所述超声波检测水流的位置可调节，调节超声波检测水流位置是依托固定超声波发生器和接收器的装置，调整方式包括沿轴线移动或者螺旋移动，其中轴线或螺旋内嵌或安装在固定超声波发生器和接收器的装置中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191115 |
|
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