一种小口径超声波水表精度校准方法及其校准系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小口径超声波水表精度校准方法，利用分段拟合的方法拟合出超声波在不同温度下传播速度的非线性公式；主控芯检测到水的温度TPT，通过分段拟合公式计算出此温度下的声速VPT；主控芯片通过接收超声波在逆流和顺流传播得到时间，结合超声波飞行距离估算出超声波在水中的传播速度VL，通过分段拟合得到此时的温度TL；通过实验确定不同温度下的补偿值声速值Voff，并非线性拟合处理；TPT和TL的差值在有效范围的前提下，通过参照VPT与VL的差值、TPT、Voff对声速VL进行分段非线性自适应插值补偿，解决不同温度传感器的检测数据差异问题，保证同一批次水表精度一致。温度自适应补偿和参数自整定共同作用，提高了超声波水表的精度的同时也提高了水表的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水表校准系统，具体涉及一种小口径超声波水表精度校准方法及其校准系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
为弥补现有技术的不足，本专利技术提供一种小口径超声波水表精度校准方法及其校准系统，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。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种小口径超声波水表精度校准方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：（1）采用分段拟合的方法拟合出超声波传播速度关于温度变化的曲线，得到分段非线性拟合公式；检测水的温度为TPT，通过分段非线性拟合公式计算TPT温度下的超声波传播速度为VPT；（2）采用分段拟合的方法拟合出温度关于超声波传播速度变化的曲线，得到分段非线性拟合公式；通过测得超声波从上游发射下游接收的飞行时间T上和从下游发射上游接收的飞行时间T下，结合超声波有效飞行路径L计算超声波在水中的传播速度为VL，通过分段拟合公式计算VL传播速度下的水的温度为TL；（3）通过实验确定保证水表精度的补偿值Voff，并对补偿值做非线性拟合处理。（4）TPT和TL的差值在有效范围内，利用VPT和Voff对超声波传播速度VL进行分段非线性自适应插值补偿。本专利技术的小口径超声波水表精度校准方法，步骤（2）中利用超声波有效飞行距离L和上下游时间T上、T下计算得到超声波在水中的传播速度VL：式中Ts为超声波传播平均时间，Tcapa为信号捕获延时，Telec为电子反应延时，这三种时间的单位为ps，L为超声波有效飞行距离。本专利技术的小口径超声波水表精度校准方法，步骤（4）中TPT和TL的差值的有效范围通过程序自整定确定，超过临界补偿范围则默认为上一次的补偿值；VPT和VL的差值、TPT、VOff共同作用，通过程序查表和非线性插值，解决不同温度传感器的检测数据差异问题，保证同一批次水表精度一致。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，包括保温箱A、保温箱B、超声波水表和控制器，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。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，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，主管路上超声波水表后方安装有电磁流量计；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，气阀A和气阀B分别与控制器连接。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，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。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，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。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，所述超声波反射镜面的镜面为45°倾斜面。本专利技术的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，所述的超声波换能器发射的超声波与水流方向垂直，经一次超声波反射镜面反射后的传播方向与水流方向平行。本专利技术的有益效果是：本专利技术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，保证每块水表精度一致。和市面现有的超声波水表相比，由于温度补偿方法的设计与使用，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0-40℃下超声波传播速度关于温度的变化曲线；附图2是40-100℃下超声波传播速度关于温度的变化曲线；附图3是温度关于超声波速度的散点图；附图4是0-40℃下温度关于超声波传播速度的变化曲线；附图5是本专利技术的小口径超声波水表精度校准系统的结构示意图；附图6是本专利技术的超声波水表的结构示意图。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专利技术作进一步详细的说明。附图是本专利技术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，超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
种小口径超声波水表精度校准方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）采用分段拟合的方法拟合出超声波传播速度关于温度变化的曲线，得到分段非线性拟合公式；检测水的温度为TPT，通过分段非线性拟合公式计算TPT温度下的超声波传播速度为VPT；（2）采用分段拟合的方法拟合出温度关于超声波传播速度变化的曲线，得到分段拟合公式；通过测得超声波从上游发射下游接收的飞行时间T上和从下游发射上游接收的飞行时间T下，结合超声波有效飞行路径L计算超声波在水中的传播速度为VL，通过分段拟合公式计算VL传播速度下的水的温度为TL；（3）通过实验确定保证水表精度的补偿值Voff，并对补偿值做非线性拟合处理；（4）TPT和TL的差值在有效范围内，通过参照VPT与VL的差值、TPT、VOff对声速VL进行分段非线性自适应插值补偿，解决不同温度传感器的检测数据差异问题，保证同一批次水表精度一致。

【技术特征摘要】
1.一种小口径超声波水表精度校准方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）采用分段拟合的方法拟合出超声波传播速度关于温度变化的曲线，得到分段非线性拟合公式；检测水的温度为TPT，通过分段非线性拟合公式计算TPT温度下的超声波传播速度为VPT；（2）采用分段拟合的方法拟合出温度关于超声波传播速度变化的曲线，得到分段拟合公式；通过测得超声波从上游发射下游接收的飞行时间T上和从下游发射上游接收的飞行时间T下，结合超声波有效飞行路径L计算超声波在水中的传播速度为VL，通过分段拟合公式计算VL传播速度下的水的温度为TL；（3）通过实验确定保证水表精度的补偿值Voff，并对补偿值做非线性拟合处理；（4）TPT和TL的差值在有效范围内，通过参照VPT与VL的差值、TPT、VOff对声速VL进行分段非线性自适应插值补偿，解决不同温度传感器的检测数据差异问题，保证同一批次水表精度一致。2.根据权利要求1所述的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，其特征在于：包括保温箱A（1）、保温箱B（2）、超声波水表（3）和控制器（4），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。3.根据权利要求2所述的一种小口径超声波水表精度校准方法所使用的校准系统，其特征在于：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（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆华，卜庆峰，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37