CN116754032B - 一种超声水表及其自校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声水表技术领域，公开了一种超声水表及其自校准方法，其技术方案包括水表外壳、控制电路，3个换能器、波束路径控制系统、2种以上不同长度的超声波传输路径，温度传感器，计量管段，自校准方法包括以下步骤：S1，将出厂校准后的特征参数写进表内；S2，监控声路长度D0的变化量，若变化幅度超过3%，则进入自校准模式；S3，在下一次静水条件下，通过上游、中间换能器发射超声波信号，3个换能器接收超声波信号，根据时间差得到新的特征参数；S4，将新特征参数写进表内，进行计量。本发明对同一时刻的流体状态进行计量，可实现更高测量频率，同时监控声路变化，可进行自动校准，保证在整个服役周期内高计量精度。
Description
技术领域
本发明涉及超声水表技术领域，尤其涉及一种超声水表及其自校准方法。
背景技术
超声水表具备压损小、精度高、始动流量小、测量过程对水流状态无影响等特点，在计量领域得到广泛关注，超声水表是基于特征声路长度，分析上下游时间差或者相位差，得到整个计量管段中的声速信息，通过出厂校准得到对应的流量信息。
目前，传统超声水表计量模式为上下游换能器非同步发射超声波，导致上下游时间差为非同一时间的流体状态，计量频率和精度会受到限制（参考中国专利CN102261937A）。此外，传统的超声水表经出厂校准后，会将与流量相关的表体声路特征参数固定值写入超声水表内，超声水表在整个服役周期都将按照此特征参数进行计量，由于在不同的工作场景下，温度、压力以及超声水表自然老化均会导致声路特征参数发生变化，若不更新声此参数，很难保证超声水表整个生命周期的精度和出厂校准时相同。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声水表及其自校准方法，采用2种以上不同长度的超声波传输路径，实现在同一时间内对流体状态进行数据采集，减小流量波动提高计量精度，同时对声路进行检监测，声路发生改变后启动自校准程序，更新声路特征参数，从而实现在生命周期内保持高精度的计量精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超声水表，包括水表外壳、控制电路、上游换能器、中间换能器、下游换能器、波束路径控制系统、温度传感器、计量管段。
波束路径控制系统包括上游反射镜、中间反射镜、下游反射镜、分束镜以及用于固定反射镜和分束镜的支承件。
其连接关系为：水表外壳位于计量管段上方；控制电路、3个换能器、温度传感器均位于水表外壳内；3个换能器与温度传感器安装在计量管段的外壁；控制电路通过导线连接3个换能器与温度传感器；波束路径控制系统位于计量管段内；支承件安装在计量管段内壁；上游反射镜、分束镜、下游反射镜分别位于上游换能器、中间换能器、下游换能器正下方，且三者的中心均位于计量管段的中轴线上；中间反射镜位于分束镜正下方。
基于上述结构，于计量管段内部形成2种以上不同长度的超声波传输路径。
优选地，上游反射镜、分束镜、下游反射镜的镜面与计量管段中轴线均呈45°夹角；其中上游反射镜面沿计量管段中轴线顺时针偏转45°设置，分束镜、下游反射镜面沿计量管段中轴线逆时针偏转45°设置。
优选地，对于到达分束镜的超声波，一部分发生反射，另一部分发生透射。
优选地，所述分束镜材料为聚全氟乙丙烯F46；反射镜材料为铜或不锈钢或陶瓷。
优选地，中间换能器发出的超声波经过路程0.5D到达分束镜后：其中一部分超声波发生反射，经过路程l1到达上游反射镜，再通过上游反射镜的反射，经过路程0.5D到达上游换能器；另一部分超声波发生透射，经过路程0.5D到达中间反射镜，再通过中间反射镜的反射，经过路程0.5D到达分束镜，此时超声波再次被分束镜分为两部分：透射的超声波经过路程0.5D到达中间换能器；反射的超声波经过路程l2到达下游反射镜，再通过下游反射镜的反射，经过路程0.5D到达下游换能器。
其中D为计量管段的直径；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距。
优选地，中间换能器发射的超声波传播到上游换能器的时间、传播
到下游换能器的时间，传播回中间换能器的时间。
其中D为计量管段直径；K1=l2+l1；K2=l2-l1；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距；c为水中声速；v为水流流速。
，其中水流流速远小于声速，则，则上式可简化为：，进一步地，。
优选地，用v在截面上积分求得的截面流速乘以面积即可算得计量管段内流量。
优选地，任一换能器均可发射超声波且发射的超声波均可被另外两换能器接收。
优选地，通过温度传感器获得实时水温；根据Bilaniuk & Wong 148 pointequation公式得到当前温度下的声速。
一种超声水表的自校准方法，包括以下步骤。
S1，超声水表在非空管状态运行时，将经出厂校准后的超声水表表体特征参数的固定值K1、K2、D写入表内。
其中D为计量管段直径；K1=l2+l1；K2=l2-l1；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距。
S2，根据，监控声路长度：如果则跳转到S3。
其中为当前超声波从中间换能器回到中间换能器的时间；c为水中声速。
S3，在下一次静水条件下，通过上游换能器、中间换能器发射超声波，分别得到当
前超声波从上游换能器到中间换能器的时间、当前超声波从中间换能器到下游换能器
的时间、当前超声波从中间换能器到上游换能器的时间。
根据，得到。
根据，得到。
S4，用覆盖替换表内的固定值K1、K2、D进行水流流速计算。
本发明的有益技术效果：通过中间换能器发射超声波信号，上下游换能器接收超声波信号进行流量计算，避免不同采集时刻流体状态的扰动变化，可实现更高的测量频率，保证高的计量精度，同时，在服役周期内监控声路的变动情况，声路特征参数变化超过设置阈值后，启动自校准模式，多声路的结构设计满足对声路变化补偿，从而实现超声水表在整个服役周期内保证高精度计量。
附图说明
图1为本发明所述超声水表主视图。
图2为本发明所述超声波传输路径图。
图3为本发明所述波束路径控制系统主视图。
图4为本发明所述波束路径控制系统俯视图。
图5为本发明所述自校准方法的流程图。
附图标号：1为控制电路，2为上游换能器，3为中间换能器，4为下游换能器，5为上游反射镜，6为分束镜，7为中间反射镜，8为下游反射镜，9为温度传感器，10为计量管段，11为支承件。
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，一种超声水表，包括水表外壳12、控制电路1、上游换能器2、中间换能器3、下游换能器4、温度传感器9、计量管段10、波束路径控制系统5、6、7、8、11。
波束路径控制系统包括上游反射镜5、中间反射镜7、下游反射镜8、分束镜6以及用于固定反射镜和分束镜的支承件11。
水表外壳12位于计量管段上方10；控制电路1、换能器2、3、4、温度传感器9均位于水表外壳12内并且安装在计量管段10的外壁；控制电路1通过导线连接3个换能器2、3、4与温度传感器9；波束路径控制系统位于计量管段10内；支承件11安装在计量管段10内壁；上游反射镜5、分束镜6、下游反射镜8分别位于上游换能器2、中间换能器3、下游换能器4正下方，且三者的中心均位于计量管段10的中轴线上；中间反射镜7位于分束镜6正下方。
基于上述结构，于计量管段10内部形成2种以上不同长度的超声波传输路径。参考文献1：在杜功焕，朱哲民，龚秀芬的著作《声学基础》（第三版）的第138页的公式（4-10-28）给出了声波透射率和反射率的具体计算方法。
反射镜5、7、8由铜或不锈钢或陶瓷组成,分束镜6由聚全氟乙丙烯材料F46组成，F46材料密度为2.17g/cm3，声速为1210m/s,按参考文献1计算，当超声波入射到F46材料时，透射率约为46%，反射率约为54%。
如图3、图4所示，上游反射镜5与计量管段10中心轴线呈=45°夹角，分束镜6、下
游反射镜8与计量管段10中心轴线呈=135°。
如图2所示，超声波到达分束镜6时，一部分超声波发生反射，另一部分超声波发生
透射具体过程为中间换能器3发生超声波经过路程到达分束镜6，一部分超声波发生
反射经过路程到达上游反射镜5，通过上游反射镜5反射后经过路程到达上游换能
器2，其中为计量管段10的直径。
另一部分超声波发生透射，经过路程到达中间反射镜7，再通过中间反射镜7
的反射，经过路程到达分束镜6，此时超声波再次被分束镜6分为两部分：透射的超声
波经过路程到达中间换能器3，反射的超声波经过路程到达下游反射镜8，再通过下
游反射镜8的反射，经过路程到达下游换能器4。
其中D为计量管段的直径；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距。
中间换能器3发射的超声波传播到上游换能器2的时间为、传播到
下游换能器4的时间为，传播到中间换能器3的时间为，令，，其中为上游换能器2与中间换能器3中心的距离，为中间换能器
3与下游换能器4中心的距离，为水中声速，为水流流速。
，其中水流流速远小于声速，则，
上式可简化为：，水流流速的计算公式：。
计量管段10内流量可通过求得的水速在截面上积分求得截面流速，之后乘以面
积即可得到流量。
上述所有声路可逆，任一换能器均可发射超声波且发射的超声波均可被另外两换能器接收。
温度传感器9获得水温实时温度，根据Bilaniuk & Wong 148 point equation公式得到当前温度下的声速。超声水表经出厂校准后，在使用过程中可进行自校准。
如图5所示，一种超声水表的自校准方法，包括以下步骤。
S1，超声水表在非空管状态运行时，将经出厂校准后的超声水表表体特征参数的固定值K1、K2、D写入表内。
S2，根据，监控声路长度，如果则跳转到S3。
其中为当前超声波从中间换能器回到中间换能器的时间；c为水中声速。
S3，在下一次静水条件下，通过上游换能器2、中间换能器3发射超声波，分别得到
当前超声波从上游换能器2到中间换能器3的时间，当前超声波从中间换能器3到下游换
能器4的时间，当前超声波从中间换能器3到上游换能器2的时间。
根据，得到。
根据，得到。
S4，用覆盖替换表内的固定值K1、K2、D进行水流流速计算。
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 (7)
1.一种超声水表，其特征在于，包括水表外壳、控制电路、上游换能器、中间换能器、下游换能器、波束路径控制系统、温度传感器、计量管段；
波束路径控制系统包括上游反射镜、中间反射镜、下游反射镜、分束镜以及用于固定反射镜和分束镜的支承件；
其连接关系为：水表外壳位于计量管段上方；控制电路、3个换能器、温度传感器均位于水表外壳内；3个换能器与温度传感器安装在计量管段的外壁；控制电路通过导线连接3个换能器与温度传感器；波束路径控制系统位于计量管段内；支承件安装在计量管段内壁；上游反射镜、分束镜、下游反射镜分别位于上游换能器、中间换能器、下游换能器正下方，且三者的中心均位于计量管段的中轴线上；中间反射镜位于分束镜正下方；
基于上述结构，于计量管段内部形成2种以上不同长度的超声波传输路径；
对于到达分束镜的超声波，一部分发生反射，另一部分发生透射；
中间换能器发出的超声波经过路程0.5D到达分束镜后：
其中一部分超声波发生反射，经过路程l1到达上游反射镜，再通过上游反射镜的反射，经过路程0.5D到达上游换能器；
另一部分超声波发生透射，经过路程0.5D到达中间反射镜，再通过中间反射镜的反射，经过路程0.5D到达分束镜，此时超声波再次被分束镜分为两部分：透射的超声波经过路程0.5D到达中间换能器；反射的超声波经过路程l2到达下游反射镜，再通过下游反射镜的反射，经过路程0.5D到达下游换能器；
其中D为计量管段的直径；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距；
中间换能器发射的超声波传播到上游换能器的时间传播到下游换能器的时间/>传播回中间换能器的时间/>
其中D为计量管段直径；K1＝l2+l1；K2＝l2-l1；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距；c为水中声速；v为水流流速；
其中水流流速远小于声速，则c2-v2≈c2；
则上式可简化为：
2.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于，上游反射镜、分束镜、下游反射镜的镜面与计量管段中轴线均呈45°夹角；其中上游反射镜面沿计量管段中轴线顺时针偏转45°设置，分束镜、下游反射镜面沿计量管段中轴线逆时针偏转45°设置。
3.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于，所述分束镜材料为聚全氟乙丙烯F46；反射镜材料为铜或不锈钢或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于，用v在截面上积分求得的截面流速乘以面积即可算得计量管段内流量。
5.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于，任一换能器均可发射超声波且发射的超声波均可被另外两换能器接收。
6.根据权利要求1所述的一种超声水表，其特征在于，通过温度传感器获得实时水温；根据Bilaniuk&Wong 148point equation公式得到当前温度下的声速。
7.一种基于权利要求1～6任意一项所述的超声水表的自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，超声水表在非空管状态运行时，将经出厂校准后的超声水表表体特征参数的固定值K1、K2、D写入表内；
其中D为计量管段直径；K1＝l2+l1；K2＝l2-l1；l1为上游反射镜与分束镜的中心点间距；l2为下游反射镜与分束镜的中心点间距；
S2，根据监控声路长度D0：如果/>则跳转到S3；
其中为当前超声波从中间换能器回到中间换能器的时间；c为水中声速；
S3，在下一次静水条件下，通过上游换能器、中间换能器发射超声波，分别得到当前超声波从上游换能器到中间换能器的时间当前超声波从中间换能器到下游换能器的时间/>当前超声波从中间换能器到上游换能器的时间/>
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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