CN117073823A - 一种超声波水表声速测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于超声波水表技术领域，涉及一种超声波水表声速测量方法及系统，包括：超声波水表通过串口连接电脑/上位机，打印顺、逆向飞行时间和；标定台体加热到第一预设温度，记录自然降温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；标定台体降温到第二预设温度，记录自然升温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；计算各温度对应的时间和的平均值；根据记录的温度与对应的时间和平均值，拟合出时间和与温度的曲线，及拟合公式；根据温度与声速的对应关系表，查询出对应的声速。本发明流程简单、结果可靠，通过升温和降温设备记录时间和与温度的实际测量数据，拟合符合相应管段的曲线和公式，进而得出声速，误差小、精度高。
Description
技术领域
本发明属于超声波水表技术领域，尤其涉及一种超声波水表声速测量方法及系统。
背景技术
超声波水表由于其计量精度高、可靠性高、量程比宽、使用寿命长等特点，正在水表市场快速发展，超声波水表的声速对超声波水表计量精度具有重要影响，确保超声波水表声速的准确性能够提高超声波水表的计量精度。现有技术中对超声波水表声速进行测量时都是通过超声波飞行时间直接计算得到声速，无法进行声速校准，将声速的误差代入流量计算中，导致同批次超声波水表之间误差大、一致性差，校准工作量增加，加大生产难度；或者是通过设置温度传感器，通过时间和分段直线拟合温度进而得到声速，此方法存在误差大和精度差的问题。
公开号为CN112683414A的专利申请提供了一种基于TDC高分辨率集成芯片的超声波水表温度测量方法，包括：用于支撑测量的超声波管道结构、一对超声波换能器、二个金属反射片、二个反射片支撑柱、两个密封圈、两个法兰盘以及TDC高分辨率芯片集成电路板。本发明基于TDC高分辨率集成芯片发送超声波脉冲信号激发上游超声波换能器，下游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算时间t12(或者发送超声波脉冲信号激发下游超声波换能器，上游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算时间t21)，利用两个计算的时间值推导公式即可得到实时波速C，通过查询波速与液体温度的对应关系表得到实时温度。此专利介绍了通过时间和与声速的关系，拟合出声速曲线进而推出温度的方法，然而此方法无法进行声速校准，对流量和计量准确性影响巨大。
因此，如何提供一种误差小、精度高的超声波水表声速测量方法，是本技术领域人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声波水表声速测量方法，以解决现有技术中超声波水表声速测量误差大、精度低的问题；另外本发明还提供了一种超声波水表声速测量系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
第一方面，本发明提供了一种超声波水表声速测量方法，包括以下步骤：
S10、超声波水表通过串口连接电脑/上位机，打印顺、逆向飞行时间和；
S20、标定台体加热到第一预设温度，记录自然降温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S30、标定台体降温到第二预设温度，记录自然升温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S40、计算各温度对应的时间和的平均值；
S50、根据记录的温度与对应的时间和的平均值，拟合出时间和与温度的曲线，及拟合公式；
S60、根据温度与声速的对应关系表，查询出对应的声速。
进一步的，所述步骤S10中，通过TDC-GP30时间测量芯片测量出超声波水表进出口两个换能器之间超声波的飞行时间，即顺向飞行时间和逆向飞行时间，将顺向飞行时间和逆向飞行时间相加即可得到一次超声波水表顺、逆向飞行的时间和。
进一步的，所述步骤S20中，对超声波水表管段内液体进行降温处理，随机选取温度点，两次之间不超过1℃，记录并保存该温度下多次时间和，求出多次时间和的平均值ti，降温至5℃，并按照同样的方法得到多次时间和的平均值t5。
进一步的，对超声波水表管段内液体进行升温处理，每上升1℃，记录并保存该温度下多次时间和，求出多次时间和的平均值ti，上升至50℃，并按照同样的方法得到多次时间和的平均值t50。
进一步的，所述步骤S50中，将时间和与温度的曲线分为T30段和T50段，其中T30段对应温度为5℃～30℃，T50段对应温度为30℃～50℃。
进一步的，还包括步骤S70：将超声波水表显示温度与标定台体温度进行对比，误差通过通讯写入超声波水表内，完成温度与声速校准。
进一步的，所述步骤S10中打印周期为0.25s，打印次数为10次，打印时超声波水表为静水状态，温度为20℃，求出多次时间和的平均值t20。
第二方面，本发明还提供了一种超声波水表声速测量系统，包括：
超声波水表、电脑/上位机以及标定台体；
所述超声波水表、电脑/上位机、标定台体依次连接。
本发明提供的超声波水表声速测量方法及系统与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
现有技术中对超声波水表声速进行测量时都是通过超声波飞行时间直接计算得到声速，无法进行声速校准，将声速的误差代入流量计算中，或者是通过设置温度传感器，通过时间和分段直线拟合温度进而得到声速，以上方法均存在误差大和精度差的问题。本发明流程简单、结果可靠，通过升温和降温设备记录时间和与温度的实际测量数据，拟合出符合相应管段和换能器特性的计算公式，然后通过温度与声速对应表得出声速，温度通过直接计算得出，无需额外的温度传感器，简化了电路，节约了成本；在出厂检表时，只需要超声波水表显示温度与标准温度对比，将误差通过通讯写入超声波水表内，完成温度与声速校准，整个方法对超声波水表的测量与校准误差小、精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的图作一个简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的一种超声波水表声速测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种超声波水表声速测量方法的T30段的时间和与温度拟合曲线；
图3为本发明实施例提供的一种超声波水表声速测量方法的T50段的时间和与温度拟合曲线；
图4为本发明实施例提供的一种超声波水表声速测量系统的结构框图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明提供了一种超声波水表声速测量方法，应用于超声波水表声速测量过程中，超声波水表声速测量方法包括以下步骤：
S10、超声波水表通过串口连接电脑/上位机，打印顺、逆向飞行时间和；
S20、标定台体加热到第一预设温度，记录自然降温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S30、标定台体降温到第二预设温度，记录自然升温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S40、计算各温度对应的时间和的平均值；
S50、根据记录的温度与对应的时间和的平均值，拟合出时间和与温度的曲线，及拟合公式；
S60、根据温度与声速的对应关系表，查询出对应的声速。
本发明流程简单、结果可靠，通过升温和降温设备记录时间和与温度的实际测量数据，拟合符合相应管段的曲线和公式，进而得出声速，误差小、精度高。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种超声波水表声速测量方法，应用于超声波水表声速测量过程中，结合图1至图3，所述超声波水表声速测量方法包括以下步骤：
S10、超声波水表通过串口连接电脑/上位机，打印顺、逆向飞行时间和；
具体地，TDC-GP30能够直接测量出超声波水表进出口两个换能器之间超声波的飞行时间(顺向飞行时间和逆向飞行时间)，将顺向和逆向时间相加，即可得到一次超声波顺、逆向飞行的时间和。
进一步的，飞行距离L固定，有流体流动时，声速为C，流速为V，则顺向飞行时间为L/(C+V)，逆向飞行时间为L/(C-V)，时间和为L/(C+V)+L/(C-V)＝2*C*L/(C2-V2)。因为C2>>V2(C2是百万级数字，V2为100以下数字)，所以约等于2*C*L/C2＝2*L/C；静态时(管道内充满水，静止状态)，飞行时间和为L/C+L/C＝2*L/C，与有流体流动时时间和一样，所以时间和基本不受水流的影响，为了方便升、降温试验，本实施例中在静态时进行时间和测量试验。
进一步的，将超声波水表装在标定台位上，超声波水表通过串口与电脑连接，通过串口打印时间和数据(每0.25s传输打印一次)，电脑记录并保存20℃下静水状态(管道充满液体，静止状态)下的多次(不少于10次)时间和，并求出多次时间和的平均值t20。
S20、标定台体加热到第一预设温度，记录自然降温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
具体地，对超声波管段内液体进行降温处理，随机选取温度点(两次之间不宜超过1℃)，记录并保存该温度下多次时间和，求出多次时间和的平均值ti，一直降到5℃，并按照上述方法得到t5。
S30、标定台体降温到第二预设温度，记录自然升温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
具体地，对超声波管段内液体进行升温处理，每上升1℃，记录该温度下多次时间和，并求出10次时间和的平均值ti，一直升到50℃，并按照上述方法得到t50。则可得到一组关于温度i和时间和ti的数据(i，ti)，其中i∈[5,50]。
S40、计算各温度对应的时间和的平均值；
S50、根据记录的温度与对应的时间和的平均值，拟合出时间和与温度的曲线，及拟合公式；
具体地，通过温度与时间和的数据，可以拟合推导出温度与时间和的对应关系，根据超声波水表使用温度的要求，将温度与时间和对应关系分为两段，T30(温度0℃～30℃)为一段，如图2所示，T50即高于T30部分(30℃～50℃)为一段，如图3所示。根据计算公式复杂程度和拟合精度综合考虑(阶数越高，程序执行时间越长；阶数越低，拟合精度越低；二阶拟合精度可以达到0.1％FS)，得到T＝k1*t2+k2*t+b；其中，T表示温度，t表示时间和，k1，k2，b为三个常数。
S60、根据温度与声速的对应关系表，查询出对应的声速。
具体地，根据温度-声速对应表(精确到0.1℃)，通过查表得到声速。因为流速V＝△t*C2/2L，与C2成正比，因此声速的准确性至关重要。
S70、将超声波水表显示温度与标定台体温度进行对比，误差通过通讯写入超声波水表内，完成温度与声速校准。
具体地，超声波水表由于管段、换能器、反射片等误差会造成温度不准，生产时需对温度进行校准，误差在±1℃内合格，否则进行温度校准，若标准温度T1是20℃，显示温度T2是18.2℃，则T＝T2+(T1-T2)，即将误差温度T1-T2植入参数进行校准。由于声速是由温度推出，所以温度进行校准即声速进行了校准，可以消除声速的误差造成的影响，且校准方便快捷。
本发明实施例还提供了一种采用上述方法的超声波水表声速测量系统，如图4所示，包括：
超声波水表、电脑/上位机以及标定台体；
所述超声波水表、电脑/上位机、标定台体依次连接。
上述实施例所述的超声波水表声速测量方法及系统，与现有技术相比，现有技术中对超声波水表声速进行测量时都是通过超声波飞行时间直接计算得到声速，无法进行声速校准，将声速的误差代入流量计算中，或者是通过设置温度传感器，通过时间和分段直线拟合温度进而得到声速，以上方法均存在误差大和精度差的问题。本发明流程简单、结果可靠，通过升温和降温设备记录时间和与温度的实际测量数据，拟合出符合相应管段和换能器特性的计算公式，然后通过温度与声速对应表得出声速，温度通过直接计算得出，无需额外的温度传感器，简化了电路，节约了成本；在出厂检表时，只需要超声波水表显示温度与标准温度对比，将误差通过通讯写入超声波水表内，完成温度与声速校准，整个方法对超声波水表的测量与校准误差小、精度高。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、超声波水表通过串口连接电脑/上位机，打印顺向、逆向飞行时间之和；
S20、标定台体加热到第一预设温度，记录自然降温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S30、标定台体降温到第二预设温度，记录自然升温过程中的温度，保存相应温度打印的时间和；
S40、计算各温度对应的时间和的平均值；
S50、根据记录的温度与对应的时间和的平均值，拟合出时间和与温度的曲线，及拟合公式；
S60、根据温度与声速的对应关系表，查询出对应的声速。
2.根据权利要求1所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，所述步骤S10中，通过TDC-GP30时间测量芯片测量出超声波水表进出口两个换能器之间超声波的飞行时间，即顺向飞行时间和逆向飞行时间，将顺向飞行时间和逆向飞行时间相加即可得到一次超声波水表顺、逆向飞行的时间和。
3.根据权利要求1所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，所述步骤S20中，对超声波水表管段内液体进行降温处理，随机选取温度点，两次之间不超过1℃，记录并保存该温度下多次时间和，求出多次时间和的平均值ti，降温至5℃，并按照同样的方法得到多次时间和的平均值t5。
4.根据权利要求3所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，对超声波水表管段内液体进行升温处理，每上升1℃，记录并保存该温度下多次时间和，求出多次时间和的平均值ti，上升至50℃，并按照同样的方法得到多次时间和的平均值t50。
5.根据权利要求1所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，所述步骤S50中，将时间和与温度的曲线分为T30段和T50段，其中T30段对应温度为5℃～30℃，T50段对应温度为30℃～50℃。
6.根据权利要求1所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，还包括步骤S70：将超声波水表显示温度与标定台体温度进行对比，误差通过通讯写入超声波水表内，完成温度与声速校准。
7.根据权利要求2所述的一种超声波水表声速测量方法，其特征在于，所述步骤S10中打印周期为0.25s，打印次数为10次，打印时超声波水表为静水状态，温度为20℃，求出多次时间和的平均值t20。
8.一种采用如权利要求1至7所述方法的系统，其特征在于，包括：
超声波水表、电脑/上位机以及标定台体；
所述超声波水表、电脑/上位机、标定台体依次连接。
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| CN117470405A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 青岛积成电子股份有限公司 | 基于超声波飞行时间测量流体温度的方法 |
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2023
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