CN115824331A - 一种适用于超声水表的低功耗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量测量技术领域，公开了一种适用于超声水表的低功耗测量方法，包括以下步骤：S1，上电初始化；S2，处于用水低谷时段则采集水流数据，否则跳转S5；S3，评价水流状态；S4，水流状态为静水则进入修正模式修正误差，否则跳转S2；S5，处于低功耗模式；更新信号收发顺序；计算上下游信号传播时间差；计算流速并进行温度补偿；S6，生成测量频率随机值，更新测量频率为该值并跳转S2。本发明利用水表数据生成随机数种子，自适应更新测量频率，提高水表在复杂用水环境下的测量精度。同时通过改变了发送顺序的信号发送方法与测量误差修正方法降低信号发送和接收功耗，进一步提高水表使用寿命。

Description

一种适用于超声水表的低功耗测量方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种适用于超声水表的低功耗测量方法。

背景技术

现如今，超声水表因计量精度高、量程比宽、压损小等优势，在民用、工业等领域得以较为广泛地应用。

基于使用寿命的考虑，目前超声水表的测量频率一般为固定值且较低，在实验室环境下可以保证较高的测量精度，但是在复杂的现场用水环境下较易产生流量漏记问题。欲保证超声水表测量精度，需提高测量频率，但这会使运行功耗增加，从而使超声水表使用寿命缩减。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种适用于超声水表的低功耗测量方法，自适应更新测量频率，实现在复杂用水环境下的高精度测量，同时，提出一种超声信号发送方法，降低超声水表运行功耗，从而提高超声水表的使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于超声水表的低功耗测量方法，包括以下步骤：

S1，超声水表上电并初始化测量频率与信号收发顺序；

S2，超声水表运行，若当前处于预设的用水低谷时段，则采集水流数据，否则跳转S5；

S3，根据采集到的水流数据与上、下游信号峰峰值预设阈值ampl_limit评价水流状态；

S4，若水流状态为静水，则超声水表进入修正模式进行测量误差在线修正并在修正完成后退出修正模式，否则跳转S2；

S5，超声水表处于低功耗模式；

超声水表更新信号收发顺序；

基于新的信号收发顺序，超声水表计算上下游信号传播时间差；

基于上下游信号传播时间差计算流速，并对流速进行温度补偿；

S6，利用随机函数生成预设范围内的随机整数作为测量频率的随机值，更新测量频率为该随机值并跳转至S2。

进一步地，所述步骤S1中初始化具体为：将测量频率初始化为2Hz；将信号收发顺序初始化为：先由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，再由下游换能器发送超声波信号至上游换能器。

进一步地，所述步骤S2、S3中采集的水流数据包括计算流速值和上、下游信号峰峰值。

进一步地，所述步骤S3中水流状态评价方法为：

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为静水；

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均小于等于预设阈值，则水流状态为空管或有气泡；

若计算流速值不为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为流水。

进一步地，所述S4中测量误差在线修正的过程具体为：

任选一超声水表信号接收端，对该端在本次与上一次采集中接收的最后一组信号波形作相关运算，所得相似度即为测量误差值E；

超声水表根据测量误差值E在线修正测量误差。

进一步地，所述步骤S5中更新的超声水表信号收发顺序具体为：

第一次计算时，采用初始化的信号收发顺序；

第二次计算时，顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器或由下游换能器发送超声波信号至上游换能器；

第三次计算时，若第二次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，则第三次测量时顺序为由下游换能器发送超声波信号至上游换能器，否则第三次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器；

之后的计算依次重复第二次和第三次计算时的信号收发顺序。

进一步地，所述步骤S5中上下游信号传播时间差与流速v的计算方法为：

第一次计算时，通过时差法计算上下游信号传播时间差ΔT₀；

后续计算时，上下游信号传播时间差ΔT计算公式如下：

。

式中x₁、x₀分别为任一超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形；f（x₀，x₁）为对两组波形进行时差法计算；E为S3中得到的测量误差值；

流速v计算公式如下：

。

式中C为超声水表特性参数，与声路长度和管径有关；T₁、T₀分别为超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形的传播时间。

进一步地，所述步骤S6中，作为随机函数的输入，随机数种子Seed的计算公式如下：

。

式中v_max为超声水表可测量的最大流速值；T_measure为当前测量频率的倒数；λ为可调系数；ampl、ampl_ideal分别为超声水表信号接收端a在本次采集中接收的最后一组信号波形峰峰值的实际值与理想值。

本发明的有益技术效果：利用超声水表数据生成随机数种子，自适应更新测量频率，以提高超声水表在复杂用水环境下的测量精度。同时，通过改变了超声信号发送顺序的超声信号发送方法与测量误差在线修正方法降低了测量时信号发送和接收的功耗，在保证测量精度的前提下进一步提高了超声水表的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的总体流程图。

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：

如图1所示，一种适用于超声水表的低功耗测量方法，包括以下步骤：

S1，超声水表上电并初始化测量频率与信号收发顺序；

初始化具体为：将测量频率初始化为2Hz；将信号收发顺序初始化为：先由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，再由下游换能器发送超声波信号至上游换能器。

S2，超声水表运行，若当前处于预设的用水低谷时段，则采集水流数据，否则跳转S5；

采集的水流数据包括计算流速值和上、下游信号峰峰值。

S3，根据采集到的水流数据与上、下游信号峰峰值预设阈值ampl_limit评价水流状态；

水流状态评价方法为：

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为静水；

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均小于等于预设阈值，则水流状态为空管或有气泡；

若计算流速值不为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为流水。

预设阈值ampl_limit的取值与超声水表芯片采集器件的位数和信噪比有关，如某型号超声水表的采集器件为12位，信噪比达50 dB，经实验分析，各种运行工况下，超声水表接收端换能器所采集的波形的峰峰值均大于300，故将默认预设阈值ampl_limit设为300。

S4，若水流状态为静水，则超声水表进入修正模式进行测量误差在线修正并在修正完成后退出修正模式，否则跳转S2；

测量误差在线修正的过程具体为：

任选一超声水表信号接收端，对该端在本次与上一次采集中接收的最后一组信号波形作相关运算，所得相似度即为测量误差值E；

超声水表根据测量误差值E在线修正测量误差。

S5，超声水表处于低功耗模式。

超声水表更新信号收发顺序；更新的超声水表信号收发顺序具体为：

第一次计算时，采用初始化的信号收发顺序；

第二次计算时，顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器或由下游换能器发送超声波信号至上游换能器；

第三次计算时，若第二次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，则第三次测量时顺序为由下游换能器发送超声波信号至上游换能器，否则第三次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器；

之后的计算依次重复第二次和第三次计算时的信号收发顺序。

基于新的信号收发顺序，超声水表计算上下游信号传播时间差。第一次计算时，通过时差法计算上下游信号传播时间差ΔT₀；

后续计算时，上下游信号传播时间差ΔT计算公式如下：

。

式中x₁、x₀分别为任一超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形；f（x₀，x₁）为对两组波形进行时差法计算；E为S3中得到的测量误差值。

基于上下游信号传播时间差计算流速，并对流速进行温度补偿。流速v计算公式如下：

。

式中C为超声水表特性参数，与声路长度和管径有关；T₁、T₀分别为超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形的传播时间。

S6，利用随机函数生成预设范围内的随机整数作为测量频率的随机值，更新测量频率为该随机值并跳转至S2。

测量频率值越大，在复杂用水环境下超声水表测量结果越准确。经实验分析得，在测量频率大于16 Hz后，某型号超声水表的测量精度保持不变，故设定测量频率随机值取值范围为[1，16]，即取值范围为1 Hz~16 Hz。

作为随机函数的输入，随机数种子Seed的计算公式如下：

。

式中v_max为超声水表可测量的最大流速值；T_measure为当前测量频率的倒数；λ为可调系数，可根据实际情况调节，默认值为0.5，取值范围为[0，1]；ampl、ampl_ideal分别为超声水表信号接收端a在本次采集中接收的最后一组信号波形峰峰值的实际值与理想值。

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 (8)

1.一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，超声水表上电并初始化测量频率与信号收发顺序；

S2，超声水表运行，若当前处于预设的用水低谷时段，则采集水流数据，否则跳转S5；

S3，根据采集到的水流数据与上、下游信号峰峰值预设阈值ampl_limit评价水流状态；

S4，若水流状态为静水，则超声水表进入修正模式进行测量误差在线修正并在修正完成后退出修正模式，否则跳转S2；

S5，超声水表处于低功耗模式；

超声水表更新信号收发顺序；

基于新的信号收发顺序，超声水表计算上下游信号传播时间差；

基于上下游信号传播时间差计算流速，并对流速进行温度补偿；

S6，利用随机函数生成预设范围内的随机整数作为测量频率的随机值，更新测量频率为该随机值并跳转至S2。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S1中初始化具体为：将测量频率初始化为2Hz；将信号收发顺序初始化为：先由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，再由下游换能器发送超声波信号至上游换能器。

3.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S2、S3中采集的水流数据包括计算流速值和上、下游信号峰峰值。

4.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S3中水流状态评价方法为：

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为静水；

若计算流速值为零且上、下游信号峰峰值均小于等于预设阈值，则水流状态为空管或有气泡；

若计算流速值不为零且上、下游信号峰峰值均大于预设阈值，则水流状态为流水。

5.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述S4中测量误差在线修正的过程具体为：

任选一超声水表信号接收端，对该端在本次与上一次采集中接收的最后一组信号波形作相关运算，所得相似度即为测量误差值E；

超声水表根据测量误差值E在线修正测量误差。

6.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S5中更新的超声水表信号收发顺序具体为：

第一次计算时，采用初始化的信号收发顺序；

第二次计算时，顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器或由下游换能器发送超声波信号至上游换能器；

第三次计算时，若第二次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器，则第三次测量时顺序为由下游换能器发送超声波信号至上游换能器，否则第三次测量时顺序为由上游换能器发送超声波信号至下游换能器；

之后的计算依次重复第二次和第三次计算时的信号收发顺序。

7.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S5中上下游信号传播时间差与流速的计算方法为：

第一次计算时，通过时差法计算上下游信号传播时间差ΔT₀；

后续计算时，上下游信号传播时间差ΔT计算公式如下：

，

式中x₁、x₀分别为任一超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形；f（x₀，x₁）为对两组波形进行时差法计算；E为S3中得到的测量误差值；

流速计算公式如下：

，

式中C为超声水表特性参数，与声路长度和管径有关；T₁、T₀分别为超声水表信号接收端a在本次与上一次计算时接收的最后一组信号波形的传播时间。

8.根据权利要求1所述的一种适用于超声水表的低功耗测量方法，其特征在于，所述步骤S6中，作为随机函数的输入，随机数种子Seed的计算公式如下：

，

式中v_max为超声水表可测量的最大流速值；T_measure为当前测量频率的倒数；λ为可调系数；ampl、ampl_ideal分别为超声水表信号接收端a在本次采集中接收的最后一组信号波形峰峰值的实际值与理想值。

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