本實用新型涉及一種水表校準(zhǔn)系統(tǒng)，具體涉及一種溫度補償校準(zhǔn)小口徑超聲波水表精度的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前民用水表多數(shù)為機械水表，存在機械摩擦導(dǎo)致精度下降的問題；隨著國家“階梯水價”政策的實施，電子水表必將代替機械水表?，F(xiàn)在電子水表比較成熟的水流量測量方案是利用超聲波計算流量，然而在小口徑民用水表研發(fā)領(lǐng)域，超聲波電子水表研發(fā)難度較高，其中一個重要的技術(shù)問題是精度問題。小口徑民用超聲波電子水表的精度受水溫影響較大，實驗數(shù)據(jù)表明，溫度每偏差3.5℃，精度將降低1%，因此超聲波電子水表如何在水溫變化情況下還能夠保證有足夠的精度成了一個難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種溫度補償校準(zhǔn)小口徑超聲波水表精度的系統(tǒng)，利用溫度補償進(jìn)行精度校準(zhǔn)，減小水溫變化對水表精度的影響。

本實用新型是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種溫度補償校準(zhǔn)小口徑超聲波水表精度的系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括超聲波水表和與超聲波水表連接的精度測試系統(tǒng)；所述超聲波水表包括主控芯片、超聲波水管、溫度傳感器、兩個超聲波換能器和兩個超聲波反射鏡面，所述超聲波換能器安裝在超聲波水管壁上，一個安裝在超聲波水管上游，另一個安裝在超聲波水管下游，兩個超聲波反射鏡面分別安裝在兩個超聲波換能器的正下方，所述溫度傳感器安裝在超聲波水管出水口出，所述超聲波換能器和溫度傳感器與主控芯片相連。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述精度測試系統(tǒng)包括保溫箱A、保溫箱B和控制器，所述保溫箱A內(nèi)安裝有加熱棒A和溫度傳感器A，保溫箱B內(nèi)安裝有加熱棒B和溫度傳感器B，所述加熱棒A、加熱棒B、溫度傳感器A、溫度傳感器B分別與控制器連接；所述保溫箱A上部連接有進(jìn)水管路A，下部連接有出水管路A；所述保溫箱B上部連接有進(jìn)水管路B，下部連接有出水管路B；所述超聲波水表安裝在主管路上；出水管路A通過主管路與進(jìn)水管路B連接，出水管路B通過主管路與進(jìn)水管路A連接；所述保溫箱A上部安裝有氣閥A，保溫箱B上部安裝有氣閥B，氣閥A和氣閥B與氣泵連接。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述出水管路A、出水管路B的出水口處和進(jìn)水管路B、進(jìn)水管路A的進(jìn)水管處均安裝有水流截止閥。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述保溫箱A和保溫箱B上方分別設(shè)有通氣閥A和通氣閥B。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述氣閥A和氣閥B分別與控制器連接。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述主管路上超聲波水表后方安裝有電磁流量計。

本實用新型的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述超聲波反射鏡面的鏡面為45°傾斜面。

本實用新型的有益效果是：本實用新型的精度測試系統(tǒng)可以通過按鍵設(shè)置水溫度，可以在0-90°范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波水表精度校準(zhǔn)，超聲波水表使用溫度傳感器測量水溫，通過分段擬合方法計算出實際聲速，并與水表估算出的聲速共同作用，通過參數(shù)自整定方法對不同溫度下的聲速進(jìn)行分段非線性自適應(yīng)插值補償，解決了不同溫度傳感器的檢測數(shù)據(jù)差異問題，提高了水表抗干擾能力，使得小口徑民用超聲波水表的精確度受溫度影響極大降低，大幅度提高超聲波水表的精確性和可靠性。

附圖說明

附圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本實用新型中超聲波水表的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3是在不同聲速下溫度的散點圖。

圖中，1保溫箱A，2保溫箱B，3超聲波水表，4控制器，5加熱棒A，6溫度傳感器A，7加熱棒B，8溫度傳感器B，9主管路，10出水管路A，11進(jìn)水管路B，12出水管路B，13進(jìn)水管路A，14氣閥A，15氣閥B，16氣泵，17水流截止閥，18通氣閥A，19通氣閥B，20電磁流量計，31主控芯片，32超聲波水管，33溫度傳感器，34超聲波換能器，35超聲波反射鏡面，36超聲波從上游發(fā)射下游接收的飛行路徑，37超聲波從下游發(fā)射上游接收的飛行路徑，38超聲波有效飛行路徑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖是本實用新型的一種具體實施方式。該實施例包括保溫箱A1、保溫箱B2、超聲波水表3和控制器4，所述保溫箱A1內(nèi)安裝有加熱棒A5和溫度傳感器A6，保溫箱B2內(nèi)安裝有加熱棒B7和溫度傳感器B8，所述加熱棒A5、加熱棒B7、溫度傳感器A6、溫度傳感器B8分別與控制器4連接；溫度傳感器A6和溫度傳感器B8采用DS18B20；控制器4為MSP430，控制加熱棒A5和加熱棒B7工作，對保溫箱A1和保溫箱B2的水進(jìn)行加熱。

保溫箱A1上部連接有進(jìn)水管路A13，下部連接有出水管路A10；所述保溫箱B2上部連接有進(jìn)水管路B11，下部連接有出水管路B12；所述超聲波水表3安裝在主管路9上，主管路9上超聲波水表3后方安裝有電磁流量計20，電磁流量計20與一個固定體積的容器連接；出水管路A10通過主管路9與進(jìn)水管路B11連接，出水管路B12通過主管路9與進(jìn)水管路A13連接；所述出水管路A10、出水管路B12的出水口處和進(jìn)水管路B11、進(jìn)水管路A13的進(jìn)水管處均安裝有水流截止閥17；所述保溫箱A1上部安裝有氣閥A14，保溫箱B2上部安裝有氣閥B15，氣閥A14和氣閥B15與氣泵16連接，氣閥A14和氣閥B15分別與控制器4連接；所述保溫箱A1和保溫箱B2上方分別設(shè)有通氣閥A18和通氣閥B19。

本實施例的超聲波水表3包括主控芯片31、超聲波水管32、溫度傳感器33、兩個超聲波換能器34和兩個超聲波反射鏡面35，所述超聲波換能器34安裝在超聲波水管32壁上，一個安裝在超聲波水管32上游，另一個安裝在超聲波水管32下游，兩個超聲波反射鏡面35分別安裝在兩個超聲波換能器34的正下方，超聲波反射鏡面35的鏡面為45°傾斜面，所述溫度傳感器33安裝在超聲波水管32出水口出，所述超聲波換能器34和溫度傳感器33與主控芯片31相連，溫度傳感器33為PT1000，主控芯片31為ELMOS公司的ASIC芯片E703.15；本實施例的超聲波換能器34具有接收和發(fā)射超聲波功能，工作頻率為4 MHz。

本實施例的小口徑超聲波電子水表精度校準(zhǔn)方法包括以下步驟：

一、分段擬合超聲波傳播速度關(guān)于溫度變化的公式

由于聲波在不同介質(zhì)不同壓強下傳播速度不一樣，且與溫度變化是非線性關(guān)系，沒有統(tǒng)一的聲速關(guān)于溫度的公式，只有在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下聲波在整數(shù)溫度下的離散速度值，為保證超聲波水表的精度，需要考慮非整數(shù)溫度下的聲速，因此需要連續(xù)的非線性的速度公式。本實用新型利用SPSS軟件擬合出超聲波傳播速度關(guān)于溫度變化的曲線，熱力表和自來水用表對水溫要求不同，本實用新型采取分段擬合的方法使擬合公式的擬合度更高，從而保證各類型水表的精度。

對于常用的自來水用表，水溫變化范圍在0-40℃，通過SPSS擬合得到擬合公式

(1-1)

擬合度為1，即全部擬合。

對于熱力水表，水溫變化范圍在40-100℃，通過SPSS擬合得到擬合公式

(1-2)

擬合度為0.97。

二、分段擬合溫度關(guān)于超聲波傳播速度變化的公式

由附圖3可以看出，自變量V對應(yīng)兩個T值，所以只能分段擬合，在實際操作中還必須借助測溫電阻PT1000來確定某個自變量對應(yīng)的是哪個T值。

本實用新型利用SPSS軟件分段擬合出溫度關(guān)于超聲波傳播速度變化的曲線，

在0-40℃，

(2-1)

其中V為超聲波在水中的傳播速度，T為溫度，擬合度為0.99。

在40-56℃，

(2-2)

擬合度為0.96。

在56-70℃，

， (2-3)

擬合度為1。

在70-80℃，

。 (2-4)

在80-100℃，

(2-5)

擬合度為0.97。

三、計算總流量Q

如附圖2所示，超聲波換能器34的功能是發(fā)射或接收超聲波，本實用新型需要用到兩個超聲波換能器34，分別位于超聲波水管32的上下游，主控芯片31 E703.15首先控制上游超聲波換能器34發(fā)射超聲波，通過兩個超聲波反射鏡面35鏡面反射后改變超聲波傳播方向，同時使下游超聲波換能器34接收超聲波，此時主控芯片31得到超聲波從上游到下游的時間T_上，超聲波飛行路徑為36；之后主控芯片31 E703.15控制超聲波換能器34使超聲波發(fā)射方向反轉(zhuǎn)，下游超聲波換能器34發(fā)射超聲波，通過兩個超聲波反射鏡面35鏡面反射后改變超聲波傳播方向，同時使上游超聲波換能器34接收超聲波，此時主控芯片31得到超聲波從上游到下游的時間T_下，超聲波飛行路徑為37；由于超聲波在順流和逆流情況下所用時間不同，主控芯片31 E703.15可以得到上下游時間差T_diff，

(3-1)

(3-2)

(3-3)

其中，v_水為管道水流速度，v_聲為超聲波速度，由于v_水<<v_聲， v_水² << v_聲²，所以v_水²可忽略，即

(3-4)

(3-5)

(3-6)

(3-7)

式中Δt為時間很短的流量計算周期，ΔQ本計算周期的流量，A為管道面積，Q為總流量。

四、主控芯片估算超聲波傳播速度V_L

主控芯片利用超聲波有效飛行距離38 L和上下游時間T_上、T_下計算得到V_L。

() (4-1)

(m/s) (4-2)

式中T_s為超聲波傳播平均時間，T_capa為信號捕獲延時、T_elec為電子反應(yīng)延時，這三種時間的單位為ps，L為有效飛行距離。此處的T_s是平均時間，得到的超聲波速度V_L會有偏差。

五、主控芯片估算溫度T_L

利用第四步估算的超聲波傳播速度V_L，主控芯片依照公式(2-1)～(2-5)估算溫度T_L。

六、測量溫度T_PT和測量聲速V_PT的獲取

測溫電阻PT1000與主控芯片31 E703.15的A/D模塊接口，通過AD采集獲取有效的溫度值T_PT，主控芯片31通過公式(1-1)～(1-2)計算出該溫度下的超聲波傳播速度V_PT。

七、確定補償值V_off

本實用新型以T_L和與之對應(yīng)下的超聲波速度V_L為基準(zhǔn)對聲速進(jìn)行補償。從公式(3-7) 可知，總流量與差分時間T_diff和超聲波速度v_聲有關(guān)，但差分時間由主控芯片31 E703.15檢測捕獲，誤差值很小，一般不需要補償。由公式(4-1)、(4-2)可以看出，此處的T_s是平均時間，得到的超聲波速度V_L會有偏差，因此要提高超聲波水表的精度，需要對V_L進(jìn)行補償。

超聲波水表受外界環(huán)境影響較大，比如外界聲波共振、水管輕微震動等都會影響水表的精度，但差分時間和上下游時間做了濾波處理，第四、第五步估算出的聲速V_L和溫度T_L會比較穩(wěn)定可靠，精度有很大保證。

由于每個溫度傳感器33制作工藝和檢測有差異，為解決溫度傳感器33在同一溫度數(shù)據(jù)檢測有差異的問題，本實用新型利用溫度測量值T_PT和溫度估計值T_L，V_PT和V_L共同自適應(yīng)確定補償值V_off。

1、實驗校準(zhǔn)過程中，在保證精度情況下，重復(fù)大量實驗確定出T_L、T_PT、T_L與T_PT的差值T_off，以及溫度T_L對應(yīng)的補償值V_off。

2、以T_L為基準(zhǔn)，以差值T_off為參考，將每個溫度傳感器33測量得到的溫度值補償?shù)絋_PT，使得每塊水表精度和參數(shù)與實驗測試水表一致。補償值可以分段非線性擬合，實現(xiàn)分段非線性自適應(yīng)插值補償，解決了不同溫度傳感器檢測差異問題。

3、T_PT和T_L的溫度差值在有效范圍內(nèi)才進(jìn)行溫度補償，超過臨界補償范圍則默認(rèn)為上一次正確的補償值，這樣可以提高超聲波水表的抗干擾能力。T_PT和T_L的差值有效范圍通過程序自整定將差值范圍降到最小最適合的狀態(tài)，臨界補償范圍的值要做大量實驗，通過分析實驗數(shù)據(jù)獲得。

對于溫度變化范圍在40-100℃的超聲波熱力水表，在用聲速估算溫度過程中會遇到一個聲速對應(yīng)兩個溫度的狀況，因此在校準(zhǔn)超聲波熱力水表的時候必須要借助PT1000才能確定是哪個溫度。

八、處理補償值V_off

得到不同溫度(T_L)下的聲速補償值V_off有兩種處理方式：

（1）通過SPSS進(jìn)行分段曲線擬合，提高公式的擬合度從而間接提高超聲波水表的精度，然后將補償值加入估算聲速V_L；

=+ (8-1)

（2）也可以通過查表的方式進(jìn)行補償。

九、啟動精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行第七、八步校準(zhǔn)

如圖1所示，通過按鍵設(shè)置水溫和壓力，控制器4 MSP430控制加熱棒A5和加熱棒B7的通斷對保溫箱A1和保溫箱B2的水加熱到設(shè)置溫度，打開出水管路A10上的水流截止閥17與進(jìn)水管路B11上的水流截止閥17，打開通氣閥B19，控制器4 MSP430根據(jù)設(shè)定的壓力，根據(jù)壓力傳感器控制氣閥A14大小，并控制氣閥B15關(guān)閉，保證保溫箱A1和保溫箱B2恒壓恒溫，水流勻速，超聲波水表3的補償值根據(jù)電磁流量計20數(shù)值實驗確定。待保溫箱A1的水大部分流入保溫箱B2，可以關(guān)閉出水管路A10上的水流截止閥17與進(jìn)水管路B11上的水流截止閥17和通氣閥B19，打開出水管路B12上的水流截止閥17和進(jìn)水管路A13上的水流截止閥17，打開通氣閥A18，反方向供水，實現(xiàn)循環(huán)供水。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。