CN110455359A - 一种超声波水表及计量方法 - Google Patents

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卢玉龙
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Abstract

本发明公开了一种超声波水表及计量方法。其超声波水表计量方法包括以下步骤：计算超声波的传播时延、获取事先检测的水流静止时超声波传播时延、计算当前时刻的流速值、计算水流量。本发明解决了现有超声波水表计算流速的复杂度高且计量误差大的技术问题。

Description

一种超声波水表及计量方法
技术领域
本发明属于超声波水表技术领域，特别是涉及一种超声波水表及计量方法。
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，基于两组超声波传播时间的差值计算流速，计算复杂度高且会成倍增加计量误差；另外，由于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。为此提出一种计算复杂度低且误差低的超声波水表计量方法，同时提出一种只需要一个超声波发生器和一个超声波接收器的超声波水表。
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算流速的复杂度高且计量误差大的问题，提出一种超声波水表及计量方法。
本发明可以采用的超声波水表，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，测量段与出水段连接的一端配备一个超声波接收器，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；所述超声波发生器及接收器与计量电路连接。上述计量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(非流动)超声波传播时延，形成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方法，包括以下步骤：
获取超声波发生器发射超声波的时刻值及超声波接收器接收超声波的时刻值并计算超声波的传播时延，用s(t)表示，其中t表示采样时刻。
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以及当前时刻超声波的传播时延s(t)计算当前时刻的流速值v(t)。所述当前时刻的流速值其中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。
根据流速值v(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，测量段与出水段连接的一端配备一个超声波接收器。
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)根据水流静止时超声波传播时延与当前超声波传播时延计算流速，相比传统的基于两组超声波传播时间的差值计算流速，只使用了一组测量值，可以有效降低计算复杂度和计量误差。
(2)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。
(3)超声波检测水流的位置相比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方法流程图；
图5是本发明实施例的超声波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)，测量段(3)与出水段(2)连接的一端配备一个超声波接收器(42)，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；所述超声波发生器及接收器与计量电路连接。上述计量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(非流动)超声波传播时延，形成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方法，包括以下步骤：
S01、获取超声波发生器发射超声波的时刻值及超声波接收器接收超声波的时刻值并计算超声波的传播时延，用s(t)表示，其中t表示采样时刻。本实施例中，事先设置的采样时间间隔为10-5秒，根据当前时刻获取的超声波发射时刻值和接收时刻值计算超声波的传播时延s(t)＝4.37×10-5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为20℃；根据温度与水流静止时超声波传播时延对应表，获取与当前时刻温度20℃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以及当前时刻超声波的传播时延s(t)计算当前时刻的流速值v(t)。所述当前时刻的流速值其中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值
S04、根据流速值v(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，时间段长度T＝10秒，从当前时刻开始10秒内所有采样时刻计算出的流速值v(t)都为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内水表的总流量
本实施例的超声波水表计量方法流程图如图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，测量段与出水段连接的一端配备一个超声波接收器。
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。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，超声波传输方向可以为顺水流方向或逆水流方向。
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5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)和接收器(42)的装置，超声波发生器和接收器可以沿轴线移动(图5(a))或螺旋移动(图5(b))，虚线表示超声波检测水流的位置，与水流中心线平行。
本发明提出的超声波水表计量方法不仅适用于本专利提出的配备一个超声波发生器和一个超声波接收器的超声波水表结构，同时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(仅用其中一组数据)。
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方法，其特征在于包括以下步骤：
获取超声波发生器发射超声波的时刻值及超声波接收器接收超声波的时刻值并计算超声波的传播时延，用s(t)表示，其中t表示采样时刻；
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以及当前时刻超声波的传播时延s(t)计算当前时刻的流速v(t)；
根据流速值v(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。
3.根据权利要求2所述的超声波水表计量方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述的超声波水表计量方法，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。
5.根据权利要求1所述的超声波水表计量方法，其特征在于，所述当前时刻的流速值其中α是事先设置的计算系数。
6.根据权利要求5所述的超声波水表计量方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的超声波水表计量方法，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1-7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，测量段与出水段连接的一端配备一个超声波接收器。
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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