CN114526832A - 在仪表中测量水温的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在仪表(1)中测量水温的测量方法,并且包括以下步骤：·使仪表(1)的发射器换能器(3a)发出超声测量信号(8)，并采集仪表(1)的接收器换能器(3b)产生的电测量信号(Sm)；·测量水中的超声测量信号的速度和电测量信号(Sm)的电平；·使用电测量信号的电平来确定水温小于还是大于对应于拐点的拐点温度；·在水温小于拐点温度的情况下通过使用第一公式，而在水温大于拐点温度的情况下通过使用第二公式，来根据超声测量信号的速度估计水温。

Description

在仪表中测量水温的方法
技术领域
本发明涉及测量水消耗的仪表的领域，并且尤其涉及热水仪表和热能仪表。
背景技术
超声水表通常包括水流过的管道和两个压电换能器，压电换能器包括上游换能器和下游换能器。换能器被放置在管道中限定的路径末端，并且该路径的长度是精确已知的。上游换能器发射超声测量信号，该信号沿从上游到下游的路径传播，并由下游换能器接收。下游换能器发射超声测量信号，该信号沿从下游到上游的路径传播，并由上游换能器接收。水的平均速度是根据行程时间之间的差值估计的，并且水的流速是根据其平均速度计算的。
能够测量仪表中的水温是有利的，尤其是使用热水表和热能表(TEM)，其能够处置高达130℃的温度的水。
具体而言，配水商和客户两者都希望获得该信息。当该信息可用时，水温的测量值将显示在仪表的LCD屏幕上，并通过无线链路传输至配水商。
参考图1，已知对于给定的水流速，例如6升/小时(L/h)，与流速有关的计量误差(曲线C1)取决于水温。因此，准确了解水温非常重要，以便能够对流速测量进行适当的校正，并且从而确保测量性能符合oiml r 49标准，该标准要求测量精度在±5％以内。
因此，在热水表或热能表中安装温度探头是非常常规的。
应该观察到，在测量热能时，客户的设施中通常使用两个温度探头：一个探头位于设施入口处(位于仪表中)，而另一探头位于设施出口处。
在仪表中存在探头自然会增加仪表的成本，并降低其可靠性。
发明内容
本发明的目的是降低成本并提高水表的可靠性，但不降低其进行的测量的准确性。
为了实现此目的，提供了一种用于测量水温的测量方法，该方法至少部分在仪表中执行，并且包括以下步骤：
·使仪表的发射器换能器发出超声测量信号，并在该超声测量信号已经在水中沿着定义长度的路径行进后收到该超声测量信号时采集由仪表的接收器换能器产生的电测量信号；
·测量该超声测量信号在水中的速度；
·测量电测量信号的电平；
·使用电测量信号的电平来确定水温小于还是大于对应于一曲线中的拐点的拐点温度，该曲线绘制根据水温的水中声速；
·在水温小于拐点温度的情况下通过使用第一公式，而在水温大于拐点温度的情况下通过使用第二公式，来根据超声测量信号的速度估计水温。
因此，本发明的测量方法使得根据超声测量信号的速度来估计水温成为可能。
不幸的是，绘制根据水温的水中声速的曲线在拐点温度处呈现拐点，以这种方式，相同的声速可以对应于两个不同水温。
幸运的是，由接收器换能器接收到的电测量信号的电平因变于水温成几乎线性地变化。因此，电测量信号的电平被用于确定水温是位于拐点之前还是之后，从而使选择“正确”公式用于准确估计与超声测量信号的测得速度相对应的“正确”温度成为可能。因此，即使对于超过拐点温度的温度而言，水温也以非常准确的方式来测量。
因此，测得的水温可被用于校正水的流速的测量，从而使其流速的测量非常准确，即使水表中没有温度探头。
对于热水表，因此不再需要为所述仪表提供温度探头。
当测量热能时，可以省略仪表中的探头，并且进行测量只需要一个探头(位于设施出口处)。
因此，水表更便宜并且更可靠。
还提供了如上所述的测量方法，包括，为确定水温小于还是大于拐点温度，将电测量信号的电平与等于电测量信号的第一参考电平乘以参考因子的预定义阈值进行比较的步骤，第一参考电平是在校准仪表的阶段期间当水温等于第一参考温度时先前测量的，并且参考因子对应于电测量信号的电平变化(variation)，该电测量信号的电平变化是根据第一参考温度和拐点温度之间的温差预期的。
还提供了如上所述的测量方法，其中在将仪表投入使用之前，参考因子是根据当水温等于第二参考温度时所测得的电测量信号的至少一个第二参考电平以及当水温等于第三参考温度时根据所测得的电测量信号的第三参考电平来计算的。
还提供了如上所述的测量方法，其中第二参考电平和第三参考电平是在校准所述仪表的阶段期间测量的，然后参考因子是因所述仪表而异的。
还提供了如上所述的测量方法，其中第二参考电平和第三参考电平是针对与所述仪表类似的多个其他仪表来测量的，并且参考因子则是对于多个仪表而言是共用的。
还提供了如上所述的测量方法，还包括通过使用超声测量信号的速度来估计水的流速的步骤，以及通过使用如由测量方法估计的水温来校正水的流速的步骤。
还提供了如上所述的测量方法，其中第一公式和第二公式分别来自因变于水温的水中声速的第一方程和第二方程，第一方程和第二方程是二次方程。
还提供了如上所述的测量方法，其中第一方程是：
Vs＝0.0325×T2+4.4218×T+1403.9
而第二方程是：
Vs＝0.0101×T2+1.226×T+1518.8，
其中Vs是水中的声速，并且其中T是水温。
还提供了如上所述的测量方法，其中电测量信号的电平等于多个波瓣的幅度的均值，所述波瓣位于电测量信号的一部分的中间，其中所述电测量信号呈现基本上恒定的幅度。
还提供了如上所述的测量方法；其中拐点温度位于74℃±2℃的范围中。
还提供了一种仪表，其包括至少一个换能器和处理器组件，该仪表被布置成执行上述测量方法。
还提供了如上所述的仪表，该仪表是水表。
还提供了如上所述的仪表，该仪表是热能表。
还提供了一种计算机程序，其包括致使如上所述的仪表的处理器组件执行上述测量方法的步骤的指令。
还提供了一种计算机可读存储介质，其存储上述计算机程序。
本发明可以鉴于以下对本发明的特定非限定性实现的描述而被更好地理解。
附图说明
参考附图，在附图中：
[图1]图1示出了包括计量误差曲线的图表，该曲线涉及针对流速为6L/h因变于水温的水的流速的测量；
[图2]图2示出了执行本发明的水表的超声测量设备；
[图3]图3示出包括曲线的图表，该曲线绘制因变于温度的水中声速的变化；
[图4]图4示出了包括曲线的图表，该曲线绘制在74℃的拐点之前近似于图3的曲线的二次函数；
[图5]图5示出了包括曲线的图表，该曲线绘制在74℃的拐点之后近似于图3的曲线的二次函数；
[图6]图6示出了包括曲线的图表，该曲线绘制因变于时间的电测量信号；
[图7]图7示出了包括曲线的图表，该曲线绘制因变于水温的电测量信号的预期电平；
[图8]图8示出了本发明的测量方法的各步骤。
具体实施方式
参考图2，在本示例中，本发明在热水表1中执行，该热水表1用于测量配水网向客户设施供应的热水的消耗。
该仪表1首先包括通信模块，该模块使该仪表1能够与网络管理方的信息系统(IS)通信，可能经由数据集中器、网关或实际上另一仪表(诸如地区智能仪表)。通信模块可以执行任何类型的通信，并且例如经由2G、3G、4G、Cat-M或NB-IoT类型的蜂窝网络的通信、使用远程(LoRa)协议的通信、使用以169兆赫(MHz)的频率操作的Wize标准的无线电通信，等等。以规则的时间间隔，仪表1使用通信模块以向IS传送已进行的测量。
仪表1还包括将由配送网供应的水流输送至客户设施的管道，以及超声测量设备2。
管道中的水从上游流向下游，如箭头F所示。
超声测量设备2包括上游换能器3a和下游换能器3b。上游换能器3a和下游换能器3b是成对的。在该示例中，上游换能器3a和下游换能器3b是压电换能器。
超声测量设备2还包括连接至上游换能器3a和下游换能器3b的测量模块4。
测量模块4包括处理器模块，该处理器模块包括适于执行用于执行本发明的测量方法的程序的指令。该程序被存储在连接到处理器组件5或并入处理器组件5的存储器中。作为示例，处理器组件5可以是处理器、数字信号处理器(DSP)、微控制器，或者实际上是可编程逻辑电路，诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。
测量模块4还包括模数转换器(ADC)6(可能包含在处理器组件5中)。
处理器组件5控制上游换能器3a和下游换能器3b这两者。
上游和下游换能器3a和3b中的每一个相继地动作，以执行发射器换能器的功能和接收器换能器的功能。
在图2中，上游换能器3a被示为执行发射器换能器的功能，而下游换能器被示为执行接收器换能器的功能。
处理器组件5生成电激励信号7，并将电激励信号7传送至发射器换能器。处理器组件5因此使发射器换能器发射超声测量信号8。接收器换能器接收在超声测量信号8沿着所定义长度L的路径穿过水中后的超声测量信号9。
在该示例中，所定义长度L的路径是上游换能器3a和下游换能器3b之间的直线路径。所定义长度L通常等于7厘米(cm)。应该观察到，在仪表1投入使用之前，在工厂执行的校准阶段期间，距离L被精确测量。
在该示例中，电激励信号7是频率为fus且周期为Tus的方波信号。频率fus通常位于900千赫(kHz)至4兆赫(MHz)的范围内，并且在该示例中，其等于1MHz。
当发射器换能器是上游换能器3a时，超声测量信号8因此沿着所定义长度L的路径从上游到下游在上游换能器3a和下游换能器3b之间行进。
当发射器换能器是下游换能器3b时，超声测量信号8沿着所定义长度L的路径从下游到上游在下游换能器3b和上游换能器3a之间行进。
超声测量信号8由发射器换能器(图2中的上游换能器3a)以电平NE发射。超声测量信号9由接收器换能器(图2中的下游换能器3b)以低于电平NE的电平NR接收。
测量模块4的ADC 6在接收到超声测量信号9时，将接收器换能器产生的电测量信号数字化，并且它产生测量样本。对于频率fus＝1MHz的信号而言，采样频率通常为4MHz，以便符合Shannon准则。处理器组件5采集经数字化的电测量信号。
当发射器换能器是上游换能器3a时，处理器组件5使用电测量信号以测量超声测量信号8沿所定义长度的路径从上游到下游所花费的行进时间。
实际上，处理器组件5测量从上游换能器3a到下游换能器3b的全局传输时间TAB。
该全局传输时间TAB使得:
TAB＝TAA+ToFAB+TRB，其中：
·TAA是上游换能器3a的导通时间；
·ToFAB对应于超声测量信号8沿上游换能器3a和下游换能器3b之间所定义长度的路径行进所花费的飞行时间；
·TRB是下游换能器3b的接收时间。
类似地，当发射器换能器是下游换能器3b时，处理器组件5测量全局传输时间TBA，其使得：
TBA＝TAB+ToFBA+TRA，其中：
·TAB是下游换能器3b的导通时间；
·ToFBA对应于超声测量信号8沿下游换能器3b和上游换能器3a之间的所定义长度的路径行进所花费的飞行时间；
·TRA是上游换能器3a的接收时间。
假设：
TAA＝TAB且TRA＝TRB(成对换能器)，则获得下式：
ΔT＝TBA-TAB＝ToFBA-ToFAB＝DToF，
其中DToF是差分飞行时间。
然而，DToF与水的平均速度成比例，因此处理器模块5随后可以通过使用DToF来计算水的平均速度。平均速度是有符号的，并且它可以是正、负或零。
处理器组件5然后根据水的平均速度推导出在仪表1的管道中流动的水的流速。
因此，电测量信号被用于产生水流速的测量。然而，如下所述，在本发明的测量方法中，电测量信号还被用于确定水温小于还是大于拐点温度。拐点温度对应于曲线中的拐点，该曲线绘制了因变于水温的水中声速。
在该示例中，拐点温度等于74℃。
在本发明的测量方法中，根据水中超声测量信号的速度的测量来估计水温。
为了估计水的速度，处理器组件5因此通过测量水中超声测量信号的速度，即水中的声速开始。
飞行时间之和与上游换能器3a和下游换能器3b之间的距离L成正比，而与水中的声速成反比。
因此，处理器组件5根据飞行时间的总和来推断水中的声速。
处理器组件5然后根据水中的声速来估计水温。
图3的曲线C2示出了水中声速如何随水温变化，水温在图中在0.1℃至100℃的范围上变化。如上所述，该曲线C2在约74℃时呈现一拐点：该曲线上升至74℃，并且在74℃以上下降。因为在该拐点处，相同的水中声速可对应于两个不同的水温值。因此，作为示例，对于1542米/秒(m/s)的相同水中声速，水温可能等于50℃，或者等于100℃。曲线C2可用两个二次函数曲线来近似。曲线C3(如图4中所示)对应于温度低于74℃的水。曲线C4(如图5中所示)对应于温度高于74℃的水。
曲线C3通过以下第一方程被定义在0℃和74℃之间：
Vs＝-0.0325×T2+4.4218×T+1403.9，
其中Vs是水中的声速，并且其中T是水温。
曲线C4通过以下第二方程被定义在74℃和100℃之间：
Vs＝-0.0101×T2+1.226×T+1518.8。
为了确定应使用哪个方程以便找到与水中的估计声速相对应的“正确”温度，并且因此消除与两个不同温度(一个在74℃以上，而另一个在74℃以下)可完全对应于相同声速这一事实相关联的不确定性，处理器组件5测量测量电信号的电平，并且随后根据电测量信号的电平来确定水温小于还是大于74℃。具体地，电测量信号的电平可产生相对不准确的水温的估计，但足以确定水温小于还是大于74℃，并且因此确定是第一方程还是第二方程应被用于准确估计水温。
图6示出了电测量信号Sm。电测量信号Sm包括第一部分10和第二部分11。在第一部分10中，电测量信号Sm的幅度显著增大并且随后减小。在第二部分11中，电测量信号Sm的幅度相对恒定。
在该示例中，电测量信号Sm的幅度在第一部分10中更大，这是因为发射器换能器的激励频率与其谐振频率不完全对应的事实。当然，可能选择等于发射器换能器的谐振频率的激励频率。
在该示例中，使用的电测量信号Sm的电平是电测量信号Sm第二部分11中“平台”12的电平。更准确地说，在该示例中，电测量信号Sm的电平等于多个波瓣(例如，十个波瓣)的振幅的均值，所述波瓣位于电测量信号Sm的一部分的中间，其中所述电测量信号Sm呈现基本上恒定的振幅(即在第二部分11的中间)。
已经发现，电测量信号的电平随温度的升高而线性降低。如图7中所示，线性曲线C5给出了电表1预期的因变于水温的电测量信号的电平。
为了确定水温小于还是大于74℃，处理器组件5将电测量信号的电平与温度等于74℃的水的预期电平进行比较。74℃温度的预期电平是通过知道先前在校准仪表1的阶段期间在水在等于第一参考温度处测量的电测量信号的第一参考电平，以及通过使用参考因子来确定的。参考因子是与电测量信号的电平变化相对应的百分比，该电测量信号电平变化根据第一参考温度与74℃之间的差值来预期。
处理器组件5将电测量信号Sm的电平与预定义阈值进行比较，该阈值等于电测量信号的第一参考电平乘以参考因子。
作为示例，第一参考温度等于20℃。
在将仪表投入使用之前，根据水温等于第二参考温度时测量的电测量信号的至少一个第二参考电平以及根据水温等于第三参考电平时测量的电测量信号的第三参考电平来计算参考因子。
第二参考电平、第三参考电平和参考因子可在校准仪表1的阶段期间来测量。因此，在所述校准阶段期间，当水具有等于第二参考温度的温度时，在仪表1中测量电测量信号的电平，以便获得第二参考电平，并且随后当水具有等于第三参考温度的温度时，在仪表1中测量电测量信号的电平，以便获得第三参考电平。获得的参考因子因仪表1而异。自然，在这种情况下，第二参考温度(或实际上第三参考温度)等于第一参考温度是有利的，并且因此第二参考电平(或实际上第三参考电平)等于第一参考电平，因为两个测量点则足以定义操作中使用的参考因子和第一参考电平。
作为示例，第二参考温度等于20℃，并且第三参考温度等于50℃。
替换地，线性曲线C5可根据在大量类似于仪表1的仪表上进行的测量来获得。作为示例，“类似”的仪表可以是与仪表1具有相同部件号(P/N)的仪表。“大数量”的仪表使得能够定义一线性曲线，该曲线代表电测量信号的预期电平，并且与所有类似于仪表1的仪表相关。在这种情况下，第二参考电平和第三参考电平是针对与所述仪表1类似的多个其他仪表来测量的，并且所使用的参考因子对于多个仪表来说是共用的。
例如，以下可能适用于仪表1:
N(74℃)＝0.7×N(20℃)，
其中N(74℃)是温度等于74℃的水的电测量信号的预期电平，其中N(20℃)是第一参考电平(即，在校准阶段期间第一参考温度下的测量的电测量信号的电平，具体等于20℃)，而0.7是参考因子。
参考因子等于0.7，这意味着在操作中，对于仪表1而言，74℃时电测量信号的预期电平等于20℃时的电平(第一参考电平)的0.7倍。
因此，在操作中并且为了确定水温小于还是大于74℃，处理器组件5将电测量信号的电平与预定义阈值进行比较，在该示例中，预定义阈值等于：
0.7×N(20℃)。
根据该比较，处理器组件5导出水温小于还是大于74℃：如果电测量信号的电平大于预定义阈值，则处理器组件推断水温小于74℃，并且如果电测量信号的电平小于预定义阈值，则处理器组件5推断水温大于74℃。
然后，处理器组件5通过应用声速变化的方程中的一个或另一个，根据超声测量信号的速度产生对水温的准确估计。如果水温小于74℃，则处理器组件5使用从上述第一方程推导出的第一公式，而如果水温大于74℃，则使用从第二方程推导出的第二公式。
应该观察到，第一和第二方程两者都是对曲线(图3的曲线C2)的二次近似，其本身是第五阶函数曲线的一部分。使用从二次曲线导出的公式在处理器组件5以便执行本发明所需的计算资源方面是非常有利的。
处理器组件5然后根据估计的水温来校正水流速的测量。
图8中总结了用于估计操作中的水温而执行的主要步骤。
处理器组件5通过测量电测量信号的电平(步骤E1)开始。
处理器组件5随后将电测量信号Sm的电平与预定义阈值进行比较，该阈值等于电测量信号的第一参考电平乘以参考因子(步骤E2)。
如果电测量信号的电平严格大于预定义阈值，则处理器组件5推断水温严格小于74℃，并选择第一公式(步骤E3)。如果电测量信号的测得电平小于或等于预定义阈值，则处理器组件5推断水温大于或等于74℃，并选择第二公式(步骤E4)。
处理器组件5然后通过使用所选公式来精确计算水温(步骤E5)。
自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入如由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。
超声测量设备中的换能器数量不一定等于两个。作为示例，可能仅提供一个换能器，该换能器发射超声测量信号，该信号由并入到管道中的反射元件反射，并由所述换能器采集。单个换能器对于相同的超声测量信号相继地执行发射器换能器的功能和接收器换能器的功能。
在本发明的事先的上述描述中，测量方法的所有步骤均在仪表的处理器组件中执行。然而，测量方法可以在多个组件中执行，或者实际上可以至少部分地在仪表外部执行。例如，可以在另一仪表、数据集中器或远离仪表的服务器中估计水温并校正流速。
本发明可以在水表或热能表中实施。水可以是淡水或盐水。
考虑的拐点温度不必一定完全等于74℃，但可以等于约74℃，例如，它可以位于74℃±2℃的范围中。

Claims (15)

1.一种用于测量水温的测量方法，所述方法至少部分地在仪表(1)中执行并且包括以下步骤：
·使所述仪表(1)的发射器换能器(3a)发出超声测量信号(8)，并在所述超声测量信号已经在所述水中沿着定义长度(L)的路径行进后收到所述超声测量信号时采集由所述仪表(1)的接收器换能器(3b)产生的电测量信号(Sm)；
·测量所述超声测量信号在所述水中的速度；
·测量所述电测量信号(Sm)的电平；
·使用所述电测量信号的所述电平来确定所述水的温度小于还是大于对应于一曲线中的拐点的拐点温度，所述曲线绘制因变于所述水的温度的水中声速；
·在所述水的温度小于所述拐点温度的情况下则通过使用第一公式，而在所述水的温度大于拐点温度的情况下通过使用第二公式，来根据所述超声测量信号的速度估计所述水的温度。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，包括为确定所述水的温度小于还是大于所述拐点温度，将所述电测量信号的所述电平与等于所述电测量信号的第一参考电平乘以参考因子的预定义阈值进行比较的步骤，所述第一参考电平是在校准所述仪表(1)的阶段期间当所述水的温度等于第一参考温度时先前测量的，并且所述参考因子对应于所述电测量信号的所述电平的变化，所述电测量信号的所述电平的变化是根据所述第一参考温度和所述拐点温度之间的温差来预期的。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，在将所述仪表(1)投入使用之前，所述参考因子是根据当所述水的温度等于第二参考温度时所测得的电测量信号的至少一个第二参考电平以及当所述水的温度等于第三参考温度时所测得的电测量信号的第三参考电平来计算的。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述第二参考电平和所述第三参考电平是在校准所述仪表(1)的阶段期间测量的，然后所述参考因子是因所述仪表(1)而异的。
5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述第二参考电平和所述第三参考电平是针对与所述仪表(1)类似的多个其他仪表来测量的，并且所述参考因子则是对于多个仪表而言是共用的。
6.如任一前述权利要求所述的测量方法，其特征在于，还包括通过使用所述超声测量信号的速度来估计所述水的流速的步骤，以及通过使用如由所述测量方法估计的所述水的温度来校正所述水的流速的步骤。
7.如任一前述权利要求所述的测量方法，其特征在于，所述第一公式和所述第二公式分别来自因变于所述水的温度的水中声速的第一方程和第二方程，所述第一方程和所述第二方程是二次方程。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述第一方程是：
Vs＝0.0325×T2+4.4218×T+1403.9
而所述第二方程是：
Vs＝0.0101×T2+1.226×T+1518.8，
其中Vs是所述水中声速，并且其中T是所述水的温度。
9.如任一前述权利要求所述测量方法，其特征在于，所述电测量信号的电平等于多个波瓣的幅度的均值，所述波瓣位于所述电测量信号(Sm)的一部分(11)的中间，其中所述电测量信号呈现基本上恒定的幅度。
10.如任一前述权利要求所述的测量方法，其特征在于，所述拐点温度位于74℃±2℃的范围中。
11.一种包括至少一个换能器(3a,、3b)和处理器组件(5)的仪表，所述仪表被布置成执行如任一前述权利要求所述的测量方法。
12.如权利要求11所述的仪表，其特征在于，所述仪表是水表。
13.如权利要求11所述的仪表，其特征在于，所述仪表是热能表。
14.一种包括指令的计算机程序，所述指令使得根据权利要求11到13中的任一项所述的仪表(1)的处理器组件(5)执行根据权利要求1到10中的任一项所述的测量方法的各步骤。
15.一种存储根据权利要求14所述的计算机程序的计算机可读存储介质。
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