超声水表消振方法与流程

本发明涉及水表领域，更详而言之涉及超声水表的消振方法。

背景技术：

目前，几乎所有超声水表均采用渡越时间法工作原理进行封闭满管道内水流体的测量。所谓超声渡越时间法测量用水量，就是利用若干对与管道轴线有一定安装角度的换能器，测量得到超声波正逆向渡越时间，并结合现有公式去求得管道内的线平均流速，进而获得用水量的体积值。由此可见，渡越时间的测量准确与否与超声水表的测量准确度直接相关。超声水表换能器每次发射超声波的起始时间点(即计时的start点)通常容易保持一致，而接收换能器每次接收到超声波的终止时间点(即计时的stop点)则是不容易控制的。

一般来说，大口径超声水表通常安装在地下水表窨井中，其中很多安装位置与马路靠得很近，车辆行驶或机械设施作业过程中对路面产生的振动和冲击都会通过不同路径传递到超声水表上。由于超声水表中的换能器是以“声-机-电”转换方式工作的，因此任何振动和冲击产生的影响都会以声波或机械力的作用影响到超声水表换能器的正常工作。

超声水表换能器采用的转换器件多数是压电陶瓷元件，它是一种具有双向机电转换特性的敏感器件。当受到声波或机械力作用时，压电陶瓷元件发生形变，进而输出电信号，这种情景与其受到超声波作用发生机械形变输出电信号的原理是相同的。因此，任何较强作用的路面振动和冲击都会形成接近及覆盖超声水表工作频率的声波和作用力，对超声水表换能器产生一定程度的干扰和影响。

车辆和工程机械对路面的作用通常是以随机振动、周期振动和短时冲击等方式复合构成的。随机振动频谱通常较窄，周期振动频谱是有限个频率点，而短时冲击则具有宽频谱的特性。因此，车辆和工程机械引起的振动和冲击，部分可以引伸至很高的频率段。由于路面高低起伏与粗糙不平以及不同车辆与工程机械工况上的差异，导致了不同频率成分的振幅不一致。当这些振动和冲击通过路面、供水管道和超声水表测量管等物体传递到超声水表换能器时，会使换能器输出额外电信号(即干扰信号)。

如上文所述，超声水表测量准确度在很大程度上与换能器接收到超声波的终止时间点有关。图1是超声水表接收换能器正常终止时间点和干扰信号影响的示意图，如图所示，现有技术中的常规做法是将超声波接收脉冲的首波(或第2、第3波等)与人为设置的“阈值”(触发电平)相交后的第一个过零检测点作为终止时间点(即计时的stop点)，可以较好地保证终止时间点的一致性。

路面振动与冲击信号虽会经过水表内电滤波器的信号处理，但是那些频率较高、强度较大的干扰信号还是会通过滤波器在接收换能器上感知出较高幅值的电压值。这些干扰信号如果发生在超声波接收脉冲到来前，就有可能导致终止时间点(即计时的stop点)的提前和时间上的不确定(即具有随机性)，造成超声波渡越时间出现时间误差，其结果会使超声水表测得的渡越时间不一致，使得超声水表的示值误差和测量重复性变劣。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声水表消振方法，在一定程度上消除了外界振动和冲击对超声水表正常工作造成的干扰和影响，提高了超声水表的测量准确度。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种超声水表消振方法，其包括以下步骤：

(s1)控制发射换能器向接收换能器发射超声波信号；

(s2)当接收换能器接收到超声波信号后，识别超声波信号与预设触发电平的相交点，设为第一相交点；

(s3)识别超声波信号与预设触发电平在所述第一相交点之后的第i个至第i+n个过零点；

(s4)计算所述第i个至所述第i+n个过零点之间每相邻两个过零点之间的时间间隔；

(s5)将各个时间间隔与超声波信号的预设半周期值m0进行比较：

若连续出现n个时间间隔落入所述预设半周期值m0的偏差范围，则计算第i个过零点至第i+n个过零点处的渡越时间的平均值作为接收换能器本次接收超声波信号的渡越时间；

若n个时间间隔中出现至少一个时间间隔超出所述预设半周期值m0的偏差范围，则认定接收换能器本次接收到的超声波信号为干扰信号，予以剔除并继续等待接收新的超声波信号。

优选地，所述预设半周期值m0的偏差范围为0.9m0～1.1m0。

优选地，在所述步骤(s2)中，将超声波信号第2～4波中的任意一波与预设触发电平的相交点设为第一相交点。

优选地，i等于5～7，n等于3～7。

根据本发明的优选实施例，为了进一步减弱外界振动和冲击对换能器造成的干扰，所述超声水表消振方法进一步包括步骤(s6)：在换能器的外侧设置隔振材料，从而在一定程度上阻止外界产生的振动和冲击通过管道和超声水表壳体传至换能器，避免对换能器的正常工作造成干扰。

优选地，所述步骤(s6)具体包括：在换能器与超声水表壳体之间设置第一级隔振层，从而在一定程度上阻止干扰源从超声水表测量管传入换能器。

优选地，所述步骤(s6)具体还包括：在超声水表连接法兰与供水管道连接法兰之间、螺栓的安装通道中设置第二级隔振层，通过螺栓与螺母的配合将超声水表连接法兰与供水管道连接法兰进行紧固连接，从而在一定程度上阻止干扰源从供水管道传入超声水表测量管。

优选地，所述第一级隔振层和所述第二级隔振层为柔性隔振材料，例如橡胶、工程塑料、弹性元件等。

根据本发明的另一个方面，本发明进一步提供一种超声水表消振结构，其包括：

超声水表和供水管道，所述超声水表连接法兰和所述供水管道连接法兰通过螺栓和螺母的配合进行紧固连接，其中所述超声水表连接法兰和所述供水管道连接法兰之间、所述螺栓的安装通道中设置有第一级隔振层，从而在一定程度上阻止干扰源从供水管道传入超声水表测量管。

进一步地，所述超声水表内设置有安装座和换能器，所述换能器安装在所述安装座内，所述换能器和所述安装座之间设置有第二级隔振层，从而在一定程度上阻止干扰源从超声水表测量管传入换能器。

根据本发明的一个优选实施例，所述第一级隔振层包括隔振圆环和隔振套管，其中所述隔振套管的端部具有隔振凸缘，所述隔振套管设置在所述螺栓的安装通道内，并且所述隔振凸缘设置在所述螺栓的头部与所述超声水表连接法兰之间，所述隔振圆环设置在所述超声水表连接法兰和所述供水管道连接法兰之间。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第一级隔振层包括隔振圆环和隔振套管，其中所述隔振套管的端部具有隔振凸缘，所述隔振套管设置在所述螺栓的安装通道内，并且所述隔振凸缘设置在所述超声水表连接法兰和所述供水管道连接法兰之间，所述隔振圆环设置在所述螺栓的头部与所述超声水表连接法兰之间。

本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明和附图进一步明确。

附图说明

图1是超声水表接收换能器正常终止时间点和干扰信号影响的示意图；

图2是根据本发明的超声水表消振方法的流程示意图；

图3是根据本发明的多个过零点求平均值获得终止时间点的示意图；

图4是根据本发明的超声水表消振结构的示意图；

图5是根据本发明的超声水表消振结构中第一级隔振层的一种实施方式；

图6是根据本发明的超声水表消振结构中第一级隔振层的一种实施方式的局部放大图；

图7是根据本发明的超声水表消振结构中第一级隔振层的另一种实施方式的局部放大图；

图8是根据本发明的超声水表消振结构中第二级隔振层的局部放大图；

图中：超声水表10；超声水表连接法兰11；安装座12；换能器13；供水管道20；供水管道连接法兰21；螺栓31；头部311；螺母32；第一级隔振层40；隔振圆环41；隔振套管42；隔振凸缘421；第二级隔振层50；隔振圆环41a；隔振套管42a；隔振凸缘421a。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参看附图之图2至图3，根据本发明优选实施例的超声水表消振方法将在接下来的描述中被阐明，其包括以下步骤：

(s1)控制发射换能器向接收换能器发射超声波信号；

(s2)当接收换能器接收到超声波信号后，识别超声波信号与预设触发电平的相交点，设为第一相交点；

(s3)识别超声波信号与预设触发电平在所述第一相交点之后的第i个至第i+n个过零点；

(s4)计算所述第i个至所述第i+n个过零点之间每相邻两个过零点之间的时间间隔；

(s5)将各个时间间隔与超声波信号的预设半周期值m0进行比较：

若连续出现n个时间间隔落入所述预设半周期值m0的偏差范围，则计算第i个过零点至第i+n个过零点处的渡越时间的平均值作为接收换能器本次接收超声波信号的渡越时间；

若n个时间间隔中出现至少一个时间间隔超出所述预设半周期值m0的偏差范围，则认定接收换能器本次接收到的超声波信号为干扰信号，予以剔除并继续等待接收新的超声波信号。

由于外界产生的振动和噪声通常是由随机函数构成的，从时域上看，振动和噪声的波形间隔是非等距离的随机波，信号间隔都不均匀，因此通过对波形周期间隔的识别，可以很好地区分出是正常的超声波接收信号还是非正常的干扰信号。在本发明提供的超声波消振方法中，接收换能器接收超声波信号的终止时间点不以单一过零点为依据，而是需要以规定时间间隔的数个过零点的平均值作为终止时间点，这样可以很大程度上排除干扰信号的影响。

如附图3所示，本实施例采用识别超声波信号的第二波与预设触发电平的相交点作为第一相交点，然后识别所述第一相交点之后的第7个至第12个过零点并计算所述第7个至所述第12个过零点之间每相邻两个过零点之间的时间间隔。图中1为预设触发电平，2为超声波信号。

事先计算出超声水表换能器超声波信号接收信号波形的半周期值m0，并将其存储在超声水表嵌入式系统的存储器中供后续系统进行判定。在本实施例中，当接收换能器接收到超声波信号且与预设触发电平相交后，将所述第一相交点后的第7至第12个过零点之间每相邻两个过零时间点的时间间隔(即附图3中标注的1～5个波的半周期值)与半周期值m0进行比较测量。

若连续出现5个时间间隔落入半周期值m0的偏差范围，则证明接收波为正常的超声波信号，计算第8个过零点至第12个过零点处的渡越时间(t1～t5)的平均值作为接收换能器本次接收超声波信号的渡越时间；

若5个时间间隔中出现至少一个时间间隔超出所述预设半周期值m0的偏差范围，则认定接收换能器本次接收到的超声波信号为干扰信号，予以剔除并继续等待接收新的超声波信号。

容易理解的是，在实施本发明所提供的超声水表消振方法的同时，在符合设计要求的前提下应尽量提高所述预设触发电平的电压、超声水表的超声波发射功率、以及超声水表的接收灵敏度，由此来提高超声水表的信噪比，进一步加强超声水表消振效果。

优选地，所述预设半周期值m0的偏差范围为0.9m0～1.1m0。

优选地，在本实施例中，所述步骤(s2)中将超声波信号第二波与预设触发电平的相交点设为第一相交点，但是本领域技术人员容易理解的是，在其他可能的优选实施方式中，也可以但不限于将超声波信号的首波、第三波、第四波等与预设触发电平的相交点设为第一相交点。

本领域技术人员还容易理解的是，所述步骤(s3)在本实施例中被实施为识别超声波信号与预设触发电平在所述第一相交点之后的第7个至第12个过零点，但是在其他可能的优选实施方式中，也可以被实施为其他次序的过零点，目的是为了排除非正常无规律的干扰信号。

优选地，i等于5～7，n等于3～7。超声波接收信号的开始段与结束段是不稳定的，因此在设定所述第一相交点、以及i和n的具体取值时应尽量避开这两个位置。

为了进一步减弱外界振动和冲击对换能器造成的干扰，所述超声水表消振方法进一步包括步骤(s6)：在换能器的外侧设置隔振材料，从而在一定程度上阻止外界产生的振动和冲击通过管道和超声水表壳体传至换能器，避免对换能器的正常工作造成干扰。

优选地，所述步骤(s6)具体包括：在换能器与超声水表壳体之间设置第一级隔振层，从而在一定程度上阻止干扰源从超声水表测量管传入换能器。

优选地，所述步骤(s6)具体还包括：在超声水表连接法兰与供水管道连接法兰之间、螺栓的安装通道中设置第二级隔振层，通过螺栓与螺母的配合将超声水表连接法兰与供水管道连接法兰进行紧固连接，从而在一定程度上阻止干扰源从供水管道传入超声水表测量管。

优选地，所述第一级隔振层和所述第二级隔振层为柔性隔振材料，例如橡胶、工程塑料、弹性元件等。

进一步参看图4至图8，本发明进一步提供一种超声水表消振结构，其包括超声水表10和供水管道20，所述超声水表连接法兰11和所述供水管道连接法兰21通过螺栓31和螺母32的配合进行紧固连接，其中所述超声水表连接法兰11和所述供水管道连接法兰21之间、所述螺栓31的安装通道中设置有第一级隔振层40，从而在一定程度上阻止干扰源从供水管道20传入超声水表测量管。

如附图4和附图5所示，其展示了所述第一级隔振层40在本发明中的第一种实施方式。所述第一级隔振层40包括隔振圆环41和隔振套管42，其中所述隔振套管42的端部具有隔振凸缘421，所述隔振套管42设置在所述螺栓31的安装通道内，并且所述隔振凸缘421设置在所述螺栓31的头部311与所述超声水表连接法兰11之间，所述隔振圆环41设置在所述超声水表连接法兰11和所述供水管道连接法兰21之间。

如附图6所示，其展示了所述第一级隔振层40在本发明中的第二种实施方式。所述第一级隔振层40包括隔振圆环41a和隔振套管42a，其中所述隔振套管42a的端部具有隔振凸缘421a，所述隔振套管42a设置在所述螺栓31的安装通道内，并且所述隔振凸缘421a设置在所述超声水表连接法兰11和所述供水管道连接法兰21之间，所述隔振圆环41a设置在所述螺栓31的头部311与所述超声水表连接法兰11之间。

进一步地，如附图8所示，所述超声水表内设置有安装座12和换能器13，所述换能器13安装在所述安装座12内。所述换能器13和所述安装座12之间设置有第二级隔振层50，从而在一定程度上阻止干扰源从超声水表测量管传入换能器13。优选地，所述第二级隔振层50设置在所述换能器13的侧面与端面。

如果不设置所述第一级隔振层40和所述第二级隔振层50，车辆和工程机械运行时产生的振动和噪声会从路面通过管道传递到超声水表10和换能器13，导致超声水表测量时出现非正常的时间误差，使测量重复性误差和示值误差超出规定的范围。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。