CN206321314U

CN206321314U - 一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统

Info

Publication number: CN206321314U
Application number: CN201621184874.8U
Authority: CN
Inventors: 卜庆峰; 李庆华
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2026-10-26

Abstract

本实用新型公开了一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，包括两个保温箱、超声波水表和控制器，保温箱内安装有加热棒和温度传感器，加热棒和温度传感器分别与控制器连接；超声波水表包括主控芯片、超声波水管、温度传感器、两个超声波换能器和两个超声波反射镜面。本实用新型利用温度补偿对超声波水表进行精度校准，极大地减小了水温变化对水表精度的影响。

Description

一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统

技术领域

本实用新型涉及一种水表校准系统，具体涉及一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统。

背景技术

目前民用水表多数为机械水表，存在机械摩擦导致精度下降的问题；随着国家“阶梯水价”政策的实施，电子水表必将代替机械水表。现在电子水表比较成熟的水流量测量方案是利用超声波计算流量，然而在小口径民用水表研发领域，超声波电子水表研发难度较高，其中一个重要的技术问题是精度问题。小口径民用超声波电子水表的精度受水温影响较大，实验数据表明，温度每偏差3.5℃，精度将降低1%，因此超声波电子水表如何在水温变化情况下还能够保证有足够的精度成了一个难题。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本实用新型提供一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，利用温度补偿进行精度校准，减小水温变化对水表精度的影响。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特殊之处在于：包括超声波水表和与超声波水表连接的精度测试系统；所述超声波水表包括主控芯片、超声波水管、温度传感器、两个超声波换能器和两个超声波反射镜面，所述超声波换能器安装在超声波水管壁上，一个安装在超声波水管上游，另一个安装在超声波水管下游，两个超声波反射镜面分别安装在两个超声波换能器的正下方，所述温度传感器安装在超声波水管出水口出，所述超声波换能器和温度传感器与主控芯片相连。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述精度测试系统包括保温箱A、保温箱B和控制器，所述保温箱A内安装有加热棒A和温度传感器A，保温箱B内安装有加热棒B和温度传感器B，所述加热棒A、加热棒B、温度传感器A、温度传感器B分别与控制器连接；所述保温箱A上部连接有进水管路A，下部连接有出水管路A；所述保温箱B上部连接有进水管路B，下部连接有出水管路B；所述超声波水表安装在主管路上；出水管路A通过主管路与进水管路B连接，出水管路B通过主管路与进水管路A连接；所述保温箱A上部安装有气阀A，保温箱B上部安装有气阀B，气阀A和气阀B与气泵连接。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述出水管路A、出水管路B的出水口处和进水管路B、进水管路A的进水管处均安装有水流截止阀。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述保温箱A和保温箱B上方分别设有通气阀A和通气阀B。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述气阀A和气阀B分别与控制器连接。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述主管路上超声波水表后方安装有电磁流量计。

本实用新型的小口径超声波电子水表精度校准系统，所述超声波反射镜面的镜面为45°倾斜面。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的精度测试系统可以通过按键设置水温度，可以在0-90°范围内进行超声波水表精度校准，超声波水表使用温度传感器测量水温，通过分段拟合方法计算出实际声速，并与水表估算出的声速共同作用，通过参数自整定方法对不同温度下的声速进行分段非线性自适应插值补偿，解决了不同温度传感器的检测数据差异问题，提高了水表抗干扰能力，使得小口径民用超声波水表的精确度受温度影响极大降低，大幅度提高超声波水表的精确性和可靠性。

附图说明

附图1是本实用新型的结构示意图；

附图2是本实用新型中超声波水表的结构示意图；

附图3是在不同声速下温度的散点图。

图中，1保温箱A，2保温箱B，3超声波水表，4控制器，5加热棒A，6温度传感器A，7加热棒B，8温度传感器B，9主管路，10出水管路A，11进水管路B，12出水管路B，13进水管路A，14气阀A，15气阀B，16气泵，17水流截止阀，18通气阀A，19通气阀B，20电磁流量计，31主控芯片，32超声波水管，33温度传感器，34超声波换能器，35超声波反射镜面，36超声波从上游发射下游接收的飞行路径，37超声波从下游发射上游接收的飞行路径，38超声波有效飞行路径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图是本实用新型的一种具体实施方式。该实施例包括保温箱A1、保温箱B2、超声波水表3和控制器4，所述保温箱A1内安装有加热棒A5和温度传感器A6，保温箱B2内安装有加热棒B7和温度传感器B8，所述加热棒A5、加热棒B7、温度传感器A6、温度传感器B8分别与控制器4连接；温度传感器A6和温度传感器B8采用DS18B20；控制器4为MSP430，控制加热棒A5和加热棒B7工作，对保温箱A1和保温箱B2的水进行加热。

保温箱A1上部连接有进水管路A13，下部连接有出水管路A10；所述保温箱B2上部连接有进水管路B11，下部连接有出水管路B12；所述超声波水表3安装在主管路9上，主管路9上超声波水表3后方安装有电磁流量计20，电磁流量计20与一个固定体积的容器连接；出水管路A10通过主管路9与进水管路B11连接，出水管路B12通过主管路9与进水管路A13连接；所述出水管路A10、出水管路B12的出水口处和进水管路B11、进水管路A13的进水管处均安装有水流截止阀17；所述保温箱A1上部安装有气阀A14，保温箱B2上部安装有气阀B15，气阀A14和气阀B15与气泵16连接，气阀A14和气阀B15分别与控制器4连接；所述保温箱A1和保温箱B2上方分别设有通气阀A18和通气阀B19。

本实施例的超声波水表3包括主控芯片31、超声波水管32、温度传感器33、两个超声波换能器34和两个超声波反射镜面35，所述超声波换能器34安装在超声波水管32壁上，一个安装在超声波水管32上游，另一个安装在超声波水管32下游，两个超声波反射镜面35分别安装在两个超声波换能器34的正下方，超声波反射镜面35的镜面为45°倾斜面，所述温度传感器33安装在超声波水管32出水口出，所述超声波换能器34和温度传感器33与主控芯片31相连，温度传感器33为PT1000，主控芯片31为ELMOS公司的ASIC芯片E703.15；本实施例的超声波换能器34具有接收和发射超声波功能，工作频率为4 MHz。

本实施例的小口径超声波电子水表精度校准方法包括以下步骤：

一、分段拟合超声波传播速度关于温度变化的公式

由于声波在不同介质不同压强下传播速度不一样，且与温度变化是非线性关系，没有统一的声速关于温度的公式，只有在标准大气压下声波在整数温度下的离散速度值，为保证超声波水表的精度，需要考虑非整数温度下的声速，因此需要连续的非线性的速度公式。本实用新型利用SPSS软件拟合出超声波传播速度关于温度变化的曲线，热力表和自来水用表对水温要求不同，本实用新型采取分段拟合的方法使拟合公式的拟合度更高，从而保证各类型水表的精度。

对于常用的自来水用表，水温变化范围在0-40℃，通过SPSS拟合得到拟合公式

(1-1)

拟合度为1，即全部拟合。

对于热力水表，水温变化范围在40-100℃，通过SPSS拟合得到拟合公式

(1-2)

拟合度为0.97。

二、分段拟合温度关于超声波传播速度变化的公式

由附图3可以看出，自变量V对应两个T值，所以只能分段拟合，在实际操作中还必须借助测温电阻PT1000来确定某个自变量对应的是哪个T值。

本实用新型利用SPSS软件分段拟合出温度关于超声波传播速度变化的曲线，

在0-40℃，

(2-1)

其中V为超声波在水中的传播速度，T为温度，拟合度为0.99。

在40-56℃，

(2-2)

拟合度为0.96。

在56-70℃，

， (2-3)

拟合度为1。

在70-80℃，

。 (2-4)

在80-100℃，

(2-5)

拟合度为0.97。

三、计算总流量Q

如附图2所示，超声波换能器34的功能是发射或接收超声波，本实用新型需要用到两个超声波换能器34，分别位于超声波水管32的上下游，主控芯片31 E703.15首先控制上游超声波换能器34发射超声波，通过两个超声波反射镜面35镜面反射后改变超声波传播方向，同时使下游超声波换能器34接收超声波，此时主控芯片31得到超声波从上游到下游的时间T_上，超声波飞行路径为36；之后主控芯片31 E703.15控制超声波换能器34使超声波发射方向反转，下游超声波换能器34发射超声波，通过两个超声波反射镜面35镜面反射后改变超声波传播方向，同时使上游超声波换能器34接收超声波，此时主控芯片31得到超声波从上游到下游的时间T_下，超声波飞行路径为37；由于超声波在顺流和逆流情况下所用时间不同，主控芯片31 E703.15可以得到上下游时间差T_diff，

(3-1)

(3-2)

(3-3)

其中，v_水为管道水流速度，v_声为超声波速度，由于v_水<<v_声， v_水 ² << v_声 ²，所以v_水 ²可忽略，即

(3-4)

(3-5)

(3-6)

(3-7)

式中Δt为时间很短的流量计算周期，ΔQ本计算周期的流量，A为管道面积，Q为总流量。

四、主控芯片估算超声波传播速度V_L

主控芯片利用超声波有效飞行距离38 L和上下游时间T_上、T_下计算得到V_L。

() (4-1)

(m/s) (4-2)

式中T_s为超声波传播平均时间，T_capa为信号捕获延时、T_elec为电子反应延时，这三种时间的单位为ps，L为有效飞行距离。此处的T_s是平均时间，得到的超声波速度V_L会有偏差。

五、主控芯片估算温度T_L

利用第四步估算的超声波传播速度V_L，主控芯片依照公式(2-1)～(2-5)估算温度T_L。

六、测量温度T_PT和测量声速V_PT的获取

测温电阻PT1000与主控芯片31 E703.15的A/D模块接口，通过AD采集获取有效的温度值T_PT，主控芯片31通过公式(1-1)～(1-2)计算出该温度下的超声波传播速度V_PT。

七、确定补偿值V_off

本实用新型以T_L和与之对应下的超声波速度V_L为基准对声速进行补偿。从公式(3-7) 可知，总流量与差分时间T_diff和超声波速度v_声有关，但差分时间由主控芯片31 E703.15检测捕获，误差值很小，一般不需要补偿。由公式(4-1)、(4-2)可以看出，此处的T_s是平均时间，得到的超声波速度V_L会有偏差，因此要提高超声波水表的精度，需要对V_L进行补偿。

超声波水表受外界环境影响较大，比如外界声波共振、水管轻微震动等都会影响水表的精度，但差分时间和上下游时间做了滤波处理，第四、第五步估算出的声速V_L和温度T_L会比较稳定可靠，精度有很大保证。

由于每个温度传感器33制作工艺和检测有差异，为解决温度传感器33在同一温度数据检测有差异的问题，本实用新型利用温度测量值T_PT和温度估计值T_L，V_PT和V_L共同自适应确定补偿值V_off。

1、实验校准过程中，在保证精度情况下，重复大量实验确定出T_L、T_PT、T_L与T_PT的差值T_off，以及温度T_L对应的补偿值V_off。

2、以T_L为基准，以差值T_off为参考，将每个温度传感器33测量得到的温度值补偿到T_PT，使得每块水表精度和参数与实验测试水表一致。补偿值可以分段非线性拟合，实现分段非线性自适应插值补偿，解决了不同温度传感器检测差异问题。

3、T_PT和T_L的温度差值在有效范围内才进行温度补偿，超过临界补偿范围则默认为上一次正确的补偿值，这样可以提高超声波水表的抗干扰能力。T_PT和T_L的差值有效范围通过程序自整定将差值范围降到最小最适合的状态，临界补偿范围的值要做大量实验，通过分析实验数据获得。

对于温度变化范围在40-100℃的超声波热力水表，在用声速估算温度过程中会遇到一个声速对应两个温度的状况，因此在校准超声波热力水表的时候必须要借助PT1000才能确定是哪个温度。

八、处理补偿值V_off

得到不同温度(T_L)下的声速补偿值V_off有两种处理方式：

（1）通过SPSS进行分段曲线拟合，提高公式的拟合度从而间接提高超声波水表的精度，然后将补偿值加入估算声速V_L；

=+ (8-1)

（2）也可以通过查表的方式进行补偿。

九、启动精度校准系统，进行第七、八步校准

如图1所示，通过按键设置水温和压力，控制器4 MSP430控制加热棒A5和加热棒B7的通断对保温箱A1和保温箱B2的水加热到设置温度，打开出水管路A10上的水流截止阀17与进水管路B11上的水流截止阀17，打开通气阀B19，控制器4 MSP430根据设定的压力，根据压力传感器控制气阀A14大小，并控制气阀B15关闭，保证保温箱A1和保温箱B2恒压恒温，水流匀速，超声波水表3的补偿值根据电磁流量计20数值实验确定。待保温箱A1的水大部分流入保温箱B2，可以关闭出水管路A10上的水流截止阀17与进水管路B11上的水流截止阀17和通气阀B19，打开出水管路B12上的水流截止阀17和进水管路A13上的水流截止阀17，打开通气阀A18，反方向供水，实现循环供水。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：包括超声波水表（3）和与超声波水表（3）连接的精度测试系统；所述超声波水表（3）包括主控芯片（31）、超声波水管（32）、温度传感器（33）、两个超声波换能器（34）和两个超声波反射镜面（35），所述超声波换能器（34）安装在超声波水管（32）壁上，一个安装在超声波水管（32）上游，另一个安装在超声波水管（32）下游，两个超声波反射镜面（35）分别安装在两个超声波换能器（34）的正下方，所述超声波换能器（34）和温度传感器（33）与主控芯片（31）相连。

2.根据权利要求1所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述精度测试系统包括保温箱A（1）、保温箱B（2）和控制器（4），所述保温箱A（1）内安装有加热棒A（5）和温度传感器A（6），保温箱B（2）内安装有加热棒B（7）和温度传感器B（8），所述加热棒A（5）、加热棒B（7）、温度传感器A（6）、温度传感器B（8）分别与控制器（4）连接；所述保温箱A（1）上部连接有进水管路A（13），下部连接有出水管路A（10）；所述保温箱B（2）上部连接有进水管路B（11），下部连接有出水管路B（12）；所述超声波水表（3）安装在主管路（9）上；出水管路A（10）通过主管路（9）与进水管路B（11）连接，出水管路B（12）通过主管路（9）与进水管路A（13）连接；所述保温箱A（1）上部安装有气阀A（14），保温箱B（2）上部安装有气阀B（15），气阀A（14）和气阀B（15）与气泵（16）连接。

3.根据权利要求2所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述出水管路A（10）、出水管路B（12）的出水口处和进水管路B（11）、进水管路A（13）的进水管处均安装有水流截止阀（17）。

4.根据权利要求2所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述保温箱A（1）和保温箱B（2）上方分别设有通气阀A（18）和通气阀B（19）。

5.根据权利要求2所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述气阀A（14）和气阀B（15）分别与控制器（4）连接。

6.根据权利要求2所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述主管路（9）上超声波水表（3）后方安装有电磁流量计（20）。

7.根据权利要求1所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述超声波反射镜面（35）的镜面为45°倾斜面。

8.根据权利要求1所述的一种温度补偿校准小口径超声波水表精度的系统，其特征在于：所述温度传感器（33）安装在超声波水表（3）临近出水口处。