CN114509136B - 一种超声波水表换能器一致性测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波水表技术领域，公开了一种超声波水表换能器一致性测试方法及测试系统，其技术方案包括：选出符合要求的压电陶瓷；将压电陶瓷制成换能器并装到超声波水表管段上；将超声波水表管段安装到测试系统中；在静水条件下依次测试换能器谐振频率的一致性；在静水条件下依次测试换能器瞬态信号的一致性。本发明实现了对超声波换能器与水表管段适配性的测试，对换能器的谐振频率和瞬态信号均进行一致性测试，并且考虑到了频率偏移对换能器一致性的影响，从而实现了对超声波水表换能器一致性的更优测试方案。

Description

一种超声波水表换能器一致性测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及超声波水表技术领域，尤其涉及一种超声波水表换能器一致性测试方法及测试系统。

背景技术

超声波水表由于其测量精确、量程比大、无运动部件等优势，是目前应用比较广泛的水表，其中换能器是超声波水表的核心部件。超声波流量计量领域比较常用的方法是时差法，其原理是：超声波水表根据通常成对使用的换能器上下游发射信号的时间差计量水的流速，然后根据计量结果进行数据校正，实现准确的流量计量。由于超声波接收的信号对计量有非常重要的影响，因此上下游的换能器的一致性非常重要，如果超声波水表上下游换能器相差较大，则会导致上下游接收的信号波形差异较大，影响计量精度；导致接收信号幅值小，增大后端处理电路的功耗。换能器的一致性主要与压电陶瓷的制备工艺和换能器组装工艺有关，例如不同批次压电陶瓷的尺寸和配料的微小差别，以及组装换能器时各部件的公差以及胶层的固化时间等都可能会影响换能器的性能，且这个过程是难以控制的，因此需要对制成的成对换能器进行一致性检测。

现有的方案仅是对换能器进行了匹配，并未考虑到换能器与水表管段的适配性，且对于实际收发信号的瞬态一致性没有很好的测试方案，也缺少对频率偏移的测试方案。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声波水表换能器一致性测试方法及测试系统，实现了对换能器与水表管段适配性的测试，对换能器的谐振频率和瞬态信号均进行一致性测试，并且考虑到了频率偏移对换能器一致性的影响，从而实现了对超声波水表换能器一致性的更优测试方案。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超声波水表换能器一致性测试方法，包括以下步骤：

s1，根据待测压电陶瓷片的标称谐振频率fr，测试谐振频率在fr×(1±a%)范围内的阻抗、相位曲线，得到各压电陶瓷片的实测谐振频率，设定频率波动阈值k，从中选出实测谐振频率在fr×(1±k%)范围内的压电陶瓷片；

s2，将s1中选出的压电陶瓷片用相同的工艺制成超声波水表换能器，将换能器装到n个水表管段上；每个水表管段上的换能器个数为2m个，其中m为正整数；换能器成对使用；

s3，将s2中的n个水表管段安装到测试系统中，将每一个换能器的正负极连接到测试系统上位机，在上位机中设置后续用到的数值与阈值范围，打开测试系统中的水泵和阀门，向各水表管段中通水，测试通水过程中各水表管段的水温和压力，当各水表管段内的水温T0、压力P0均达预设值时，关闭水泵和阀门；

s4，在静水条件下依次测试换能器谐振频率的一致性；用x-y-u、x-y-d表示系统中测试的第x个水表管段中的第y对换能器中的上、下游换能器，其中x=1、2……n，y=1、2……m；依次测试x-y-u、x-y-d的谐振频率fr1以及工作频率f0下的阻抗值R0，判断成对的x-y-u、x-y-d之间的fr1差值的绝对值︱Δfr1︱与R0差值的绝对值︱ΔR0︱是否在设定范围内，若︱Δfr1︱≤fr1max×p%且︱ΔR0︱≤R0max×q%，则认为上、下游换能器的谐振频率一致性符合要求，否则认为一致性不符合要求，剔除该管段并分析原因，其中fr1max为依次测试一对换能器谐振频率后二者中较大的测试值，R0max为依次测试一对换能器阻抗值后二者中较大的测试值；

s5，在静水条件下依次测试换能器瞬态信号的一致性；换能器x-y-u发射工作频率为f0×(1±a%)范围内、电压为hV、数量为j个的脉冲波，设置步长为f0×b%，进行扫频，记录换能器x-y-d接收的信号幅值；调换发射和接收换能器，重复以上过程，记录换能器x-y-u接收到的信号幅值，判断f0下成对的x-y-u、x-y-d之间的信号幅值差值的绝对值︱ΔV︱与峰值信号频率fp差值的绝对值︱Δfp︱是否在设定范围内，若︱ΔV︱均≤Vmax×s%且︱Δfp︱≤f0×t%，则认为上、下游换能器的瞬态信号一致性符合要求，否则认为一致性不符合要求，剔除该管段并分析原因，其中Vmax为f0下依次测试一对换能器信号幅值后二者中较大的测试值。

优选地，所述的k的取值范围为0~5。

优选地，所述的n的取值在1~10之间，m的取值在1~4之间。

优选地，所述的h的取值需小于或等于压电陶瓷片最大承受电压的80%，j的取值需大于或等于换能器达到起振峰值所需的最少脉冲数，a的取值在1~10之间，b的取值在0.1~5之间。

优选地，所述的T0的取值范围为10~30℃；P0的取值范围为0~3.2MPa；工作频率f0的取值范围为1~4MHz；p的取值范围0~5；q的取值范围0~50；s的取值范围0~30；t的取值范围0~5。

优选地，所述s2中制成的换能器可以是一体式或分体式；其中一体式换能器为超声波水表管段内壁上有匹配层，压电陶瓷片粘结在匹配层表面；分体式换能器为单独的换能器，需将其组合安装到超声波水表管段上。

一种超声波水表换能器一致性测试系统，包括上位机、储水箱、控温器、水泵、水管、L个夹表器、温度计、压力计、阀门、导电结构；

其连接关系为：上位机通过导电结构分别连接温度计、压力计与安装于夹表器中的待测水表管段上的换能器；通过环形水管依次连接夹表器-阀门-储水箱-控温器-水泵-温度计-压力计-夹表器。

优选地，所述夹表器数量L=10。

优选地，所述系统在工作时采用上述测试方法对换能器一致性进行测试，具体的工作过程为：

将n个待测水表管段安装在夹表器中；

将直管段安装在剩余的L-n个夹表器中；

将各换能器的正负极连接到上位机；

预设后续用到的数值与阈值范围；

打开水泵和阀门；

记录各水表管段实时的水温以及压力；

当水温、压力均在阈值范围内时，关闭水泵和阀门；

上位机发出命令，依次测试换能器谐振频率的一致性；

上位机采集测试数据；

上位机判断测试数据是否符合预设的阈值范围要求；符合要求则显示谐振频率一致性测试通过，进入下一步；不符合要求则显示警告；

上位机发出命令，依次测试换能器瞬态信号的一致性；

上位机采集测试数据；

上位机判断测试数据是否符合预设的阈值范围要求；符合要求则显示一致性测试通过；不符合要求则显示警告。

本发明的有益技术效果：

（1）在组装换能器前预先将陶瓷片的差异控制在较小的范围以尽量减小后续换能器一致性不匹配问题的出现几率。

（2）考虑到了换能器与水表管段的适配性，避免了换能器一致但不匹配水表管段的问题出现。

（3）对换能器的谐振频率和瞬态收发信号均进行了一致性分析，从而实现更好的匹配。

（4）对换能器工作频率附近均进行了测试，这样即使频率发生偏移，也可以达到一致性良好的水平。

（5）方法简洁明了，可实现自动化操作，为超声波水表的生产检测提供了有效指导。

附图说明

图1为本发明所述方法的总体流程图。

图2为本发明实施例所述测试系统的示意图。

图3为本发明实施例中两压电陶瓷片的阻抗相位曲线。

图4为本发明实施例中两换能器在静水条件下的阻抗相位曲线。

图5为本发明实施例中两换能器在静水条件下的瞬态扫频信号图。

附图标号：1为上位机，2为储水箱，3为控温器，4为水泵，5为水管，6为夹表器，7为温度计，8为压力计，9为阀门，10为导电结构，11为待测水表管段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例。

实施例中选取某一型号的分体式超声波水表，管段11为U型反射设计，仅需安装一对换能器。

如图2所示，一种超声波水表换能器一致性测试系统，包括上位机1、储水箱2、控温器3、水泵4、水管5、10个夹表器6、温度计7、压力计8、阀门9、导电结构10；

其连接关系为：上位机1通过导电结构10分别连接温度计7、压力计8与安装于夹表器6中的待测水表管段11上的换能器；通过环形水管5顺时针依次连接夹表器6-阀门9-储水箱2-控温器3-水泵4-温度计7-压力计8-夹表器6。

如图1所示，一种超声波水表换能器一致性测试方法，包括以下步骤：

s1，根据待测压电陶瓷片的标称谐振频率fr=1.96MHz，测试谐振频率在1.96MHz×(1±10%)范围内的阻抗、相位曲线，结果如图3所示，得到第一压电陶瓷片的实测谐振频率1.972MHz，第二压电陶瓷片的实测谐振频率1.967MHz，设定频率波动阈值k=2，从中选出实测谐振频率在1.96MHz×(1±2%)范围内的第一、第二压电陶瓷片。

s2，将s1中选出的压电陶瓷片用相同的工艺制成一对分体式超声波水表换能器，将该对分体式换能器通过橡胶圈与螺丝安装到1个水表管段11上。

s3，将s2中的水表管段11安装到测试系统的夹表器6中，将9个直管段安装到测试系统的夹表器6中，将一对换能器的正负极连接到测试系统上位机1，在上位机1中设置后续用到的数值与阈值范围，打开测试系统中的水泵4和阀门9，向各水表管段中通水，测试通水过程中各水表管段的水温和压力，当水表管段内的水温T0、压力P0均处于预设值（T0=20℃，P0=0.4 MPa）时，关闭水泵4和阀门9。

s4，如图4所示，在静水条件下依次测试换能器谐振频率的一致性；用1-1-u、1-1-d表示系统中测试的上、下游换能器；依次测试1-1-u、1-1-d的谐振频率fr1（1-1-u的谐振频率为1.973MHz、1-1-d的谐振频率为1.97MHz）以及工作频率f0=2MHz下的阻抗值R0（1-1-u的阻抗值为143.5Ω、1-1-d的阻抗值为138.2Ω），︱Δfr1︱=0.003MHz≤fr1max×3%=0.05919MHz且︱ΔR0︱=5.3Ω≤R0max×50%=71.75Ω，认为上、下游换能器的谐振频率一致性符合要求。

s5，如图5所示，在静水条件下依次测试换能器瞬态信号的一致性；换能器1-1-u发射工作频率在2MHz×(1±10%)范围内、电压为3V（压电陶瓷片最大承受电压大于50V）、数量为20个（换能器达到起振峰值所需的最少脉冲数为7）的脉冲波，设置步长为2MHz×5%=10kHz，进行扫频，记录换能器1-1-d接收的信号幅值；调换发射和接收换能器，重复以上过程，记录换能器1-1-u接收到的信号幅值，f0下成对的1-1-u、1-1-d之间的信号幅值差值的绝对值︱ΔV︱=6mV≤Vmax×30%=287.7mV且峰值信号频率fp差值的绝对值︱Δfp︱=0≤f0×2%=4kHz，认为上、下游换能器的瞬态信号一致性符合要求。

本发明在组装换能器前预先将陶瓷片的差异控制在较小的范围以尽量减小后续换能器一致性不匹配问题的出现几率；考虑到了换能器与水表管段的适配性，避免了换能器一致但不匹配水表管段的问题出现；对换能器的谐振频率和瞬态收发信号均进行了一致性分析，从而实现更好的匹配；对换能器工作频率附近均进行了测试，这样即使频率发生偏移，也可以达到一致性良好的水平；方法简洁明了，可实现自动化操作，为超声波水表的生产检测提供了有效指导。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种超声波水表换能器一致性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1，根据待测压电陶瓷片的标称谐振频率fr，测试谐振频率在fr×(1±a%)范围内的阻抗、相位曲线，得到各压电陶瓷片的实测谐振频率，设定频率波动阈值k，从中选出实测谐振频率在fr×(1±k%)范围内的压电陶瓷片；

s2，将s1中选出的压电陶瓷片用相同的工艺制成超声波水表换能器，将换能器装到n个水表管段上；每个水表管段上的换能器个数为2m个，其中m为正整数；换能器成对使用；

s3，将s2中的n个水表管段安装到测试系统中，将每一个换能器的正负极连接到测试系统上位机，在上位机中设置后续用到的数值与阈值范围，打开测试系统中的水泵和阀门，向各水表管段中通水，测试通水过程中各水表管段的水温和压力，当各水表管段内的水温T0、压力P0均达预设值时，关闭水泵和阀门；

s4，在静水条件下依次测试换能器谐振频率的一致性；用x-y-u、x-y-d表示系统中测试的第x个水表管段中的第y对换能器中的上、下游换能器，其中x=1、2……n，y=1、2……m；依次测试x-y-u、x-y-d的谐振频率fr1以及工作频率f0下的阻抗值R0，判断成对的x-y-u、x-y-d之间的fr1差值的绝对值︱Δfr1︱与R0差值的绝对值︱ΔR0︱是否在设定范围内，若︱Δfr1︱≤fr1max×p%且︱ΔR0︱≤R0max×q%，则认为上、下游换能器的谐振频率一致性符合要求，跳转s5继续测试；否则认为一致性不符合要求，剔除该管段并分析原因，其中fr1max为依次测试一对换能器谐振频率后二者中较大的测试值，R0max为依次测试一对换能器阻抗值后二者中较大的测试值；

s5，在静水条件下依次测试换能器瞬态信号的一致性；换能器x-y-u发射工作频率为f0×(1±a%)范围内、电压为h伏、数量为j个的脉冲波，设置步长为f0×b%，进行扫频，记录换能器x-y-d接收的信号幅值；调换发射和接收换能器，重复以上过程，记录换能器x-y-u接收到的信号幅值，判断f0下成对的x-y-u、x-y-d之间的信号幅值差值的绝对值︱ΔV︱与峰值信号频率fp差值的绝对值︱Δfp︱是否在设定范围内，若︱ΔV︱均≤Vmax×s%且︱Δfp︱≤f0×t%，则认为上、下游换能器的瞬态信号一致性符合要求，得出换能器一致性良好的结论；否则认为一致性不符合要求，剔除该管段并分析原因，其中Vmax为f0下依次测试一对换能器信号幅值后二者中较大的测试值。

2.根据权利要求1所述的一种超声波水表换能器一致性测试方法，其特征在于，所述的h的取值需小于或等于压电陶瓷片最大承受电压的80%，j的取值需大于或等于换能器达到起振峰值所需的最少脉冲数。

3.根据权利要求1所述的一种超声波水表换能器一致性测试方法，其特征在于，所述s2中制成的换能器可以是一体式或分体式；其中一体式换能器为超声波水表管段内壁上有匹配层，压电陶瓷片粘结在匹配层表面；分体式换能器为单独的换能器，需将其组合安装到超声波水表管段上。

4.一种超声波水表换能器一致性测试系统，系统工作时采用权利要求1所述测试方法对换能器一致性进行测试，系统包括上位机、储水箱、控温器、水泵、水管、L个夹表器、温度计、压力计、阀门、导电结构；

其连接关系为：上位机通过导电结构分别连接温度计、压力计与安装于夹表器中的待测水表管段上的换能器；通过环形水管依次连接夹表器-阀门-储水箱-控温器-水泵-温度计-压力计-夹表器。

5.根据权利要求4所述的一种超声波水表换能器一致性测试系统，其特征在于，所述夹表器数量L=10。

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