CN112964898A - 一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法 - Google Patents
一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,属于超声波水表技术领域。本发明流速测量采用时间差法原理,通过测量静水状态下超声波的传播时间及此温度下对应的超声波在水中的传播速度计算得到超声波实际传播距离;通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已经测量得到的实际传播距离来消除声速对流速计算的影响;通过测量静水状态下超声波在上、下游换能器传播时间差来确定系统固有时间差,并在流速计算时消除系统固有时间差带来的影响。本发明方法能够消除声速对时间差算法计算流速的影响,并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的系统固有的时间差给测量带来的误差,测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及超声波水表技术领域,特别涉及一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法。
背景技术
水表作为测量用水的工具,广泛使用在各种用水的场所,例如家庭用水,工业用水以及农业用水等,但是现有常用的是机械式水表,而机械式水表受限较多,所以并不能广泛应用在各种环境下。于是人们设计出超声波水表,其具有量程宽,适用环境强等优点。
超声水表是目前技术相对成熟、正在推广使用的一种新型电子水表。用于封闭管道饮用水计量的超声水表多采用传播时间法原理,通过测量超声波声束在测量管内流体中顺流/逆流传播时产生的时差,计算出流体的瞬时流速,进而得出流体的累积流量。
基于时间差法计算流速时,流速主要与超声波在介质中的传播速度、超声波传播距离有关,而当被测介质温度、压力等物性参数改变时,超声波传播速度就会随之改变,导致测量结果出现误差。因电子元器件、换能器差异也会带来系统固有时间差,给测量造成误差。
发明内容
为了弥补现有技术的不足,解决现有技术中由于被测介质温度等参数改变时,超声波传播速度随之改变,导致测量结果出现误差的问题,本发明提供了一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法。本发明的超声波水表流速计算方法能够消除声速对时间差法计算流速的影响,并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的系统固有的时间差给测量带来的误差。
本发明的技术方案为:
一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法:
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静;根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0,t0=(tu静+td静)/2;
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T,并将温度数据发送到水表端;水表根据接收到的温度,获得该温度下超声波在水中的传播速度C0;
③计算超声波在管道中的实际传播距离M,M=t0×C0并将M保存至单片机的存储器中;
2)计算系统固有时间差△t0,△t0=td静-tu静,并将△t0保存到单片机的存储器中;
3)流速测量
A.水流状态下,测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动;根据测得的td动和tu动计算顺逆流时间差△t,△t=(td动-tu动)-△t0;
B.利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M,得到流速v;
v=(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L];其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。
所述超声波水表的换能器采用反射式安装,流速计算采用时间差法原理;超声波实际传播距离通过测量静水状态下超声波的传播时间及此温度下对应的超声波在水中的传播速度计算得到;通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已经测量得到的实际传播距离来消除声速对流速计算的影响;通过测量静水状态下超声波在上、下游换能器传播时间差来确定系统固有时间差,并在流速计算时消除系统固有时间差带来的影响。
作为一种优选的实施方式,步骤①中,上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式,步骤①中,下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式,步骤②中,水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格,判断当前温度T所在范围TL<T<TH,及其对应声速C0的范围CL<C0<CH,通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度C0=CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
作为一种优选的实施方式,步骤②中,流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
作为一种优选的实施方式,步骤①,首先使水在超声波管段内流动,待温度稳定后,关闭流量检定装置的阀门,在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
本发明的有益效果为:
本发明基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法能够消除声速对时间差算法计算流速的影响,并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的系统固有的时间差给测量带来的误差;测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法的流程图;
图2为实施例所用超声波水表的内部框图;
图3为超声波水表的基表的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
需要说明的是,本发明基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法应用于现有的超声波水表,在本实施例中,所用超声波水表的内部基本结构框图如图2所示。其中STM32L073V8T6为单片机,TDC-GP22为时间测试芯片。
如图1所示,一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法:
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①首先使水在超声波管段内充分流动,待温度稳定后,关闭流量检定装置的阀门,静水状态下,测量超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静。
根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0,t0=(tu静+td静)/2;其中,上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值;下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T,并将温度数据通过红外通信接口发送到发送到水表端;水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格(表1),判断当前温度T所在范围TL<T<TH,及其对应声速C0的范围CL<C0<CH,(比如实际T水温为20.5℃,则TL为20℃,TH为21℃;CL为1482.258m/s,CH为1485.286m/s;)通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度(通过以下公式拟合)获得该温度下超声波在水中的传播速度C0,C0=CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
内置于系统的速度-温度关系表格如表1所示:
表1 超声波传播速度与流体速度的关系(1标准大气压下)
③计算超声波在管道中的实际传播距离M,M=t0×C0并将M保存至STM32L073V8T6单片机的存储器中;
2)计算系统固有时间差△t0,△t0=td静-tu静,并将△t0保存到STM32L073V8T6单片机的存储器中;
3)流速测量
本实施例所使用的换能器反射式安装的基表如图3所示,管道直径为D,流体流动方向由左向右,P1、P2分别为上游换能器和下游换能器,换能器与反射片距离为S,反射片与水平面夹角为45°,两反射片的距离为L,超声波在流体中传播速度为c,流体线速度为v;
则:
超声波由P1传到P2的上游传播时间:tu=[L/(c+v)]+(2S/c) (1)
超声波由P2传到P1的下游传播时间:td=[L/(c-v)]+(2S/c) (2)
流速测量方法如下:
A.水流状态下,测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动;根据测得的td动和tu动,由式(1)和式(2)及已测得的系统固有时间差,计算顺逆流时间差△t,△t=(td动-tu动)-△t0=2Lv/(c2-v2);
由于在水中超声波声速远大于流体流速,即,c2远大于v2,因此可用c2近似取代分母中的c2-v2,由此可以得到线速度v;
v=(△t*c2)/2L (3)
B.以t=((td动+tu动)/2近似为当前超声波的传播时间,利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M,通过公式c=M/t;带入公式(3),得
v=(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L];
其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。
Claims (6)
1.一种基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于,包括步骤:
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静;根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0,t0=(tu静+td静)/2;
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T,并将温度数据发送到水表端;水表根据接收到的温度,获得该温度下超声波在水中的传播速度C0;
③计算超声波在管道中的实际传播距离M,M=t0×C0并将M保存至单片机的存储器中;
2)计算系统固有时间差△t0,△t0=td静-tu静,并将△t0保存到单片机的存储器中;
3)流速测量
A.水流状态下,测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动;根据测得的td动和tu动计算顺逆流时间差△t,△t=(td动-tu动)-△t0;
B.利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M,得到流速v;
v=(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L];其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。
2.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于:步骤①中,上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
3.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于:步骤①中,下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
4.如权利要求1-3任一项所述基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于:步骤②中,水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格,判断当前温度T所在范围TL<T<TH,及其对应声速C0的范围CL<C0<CH,通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度C0=CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
5.如权利要求1或2所述基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于:步骤②中,流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
6.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和系统固有时间差的流速测量方法,其特征在于:步骤①,首先使水在超声波管段内流动,待温度稳定后,关闭流量检定装置的阀门,在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
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