一种超声波水表流量测量方法及其超声波水表与流程

1.本发明涉及超声波水表技术领域，具体涉及一种超声波水表流量测量方法及其超声波水表。


背景技术：

2.超声波水表是通过检测超声波声束在水中顺流逆流传播时因速度发生变化而产生的时差，分析处理得出水的流速从而进一步计算出水的流量的一种新式水表。内部无活动部件无阻流元件，不受水中杂质的影响，使用寿命长。输出通讯功能齐全，满足各类通讯和无线组网要求。
3.现有的大多数超声水表方案普遍采用两个换能器布置，所能得到的时差方程个数不够，无法直接求解包括声速c在内的所有变量，往往需要通过单独测量水温来估算声速c，才能使方程可解，实现计量功能。并且声速c不仅与水温有关，与水质也密切相关，因为难以对水温和水质等多个影响声速c的因素进行实时测量，导致声速的估算值c存在无法避免的误差，最终导致超声水表在实际应用环境中误差超过限值，尤其是在水质较硬的偏远低区。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种超声波水表流量测量方法，旨在提高超声波水表测量的适用范围和精度以及可靠性。
5.本发明所要解决的上述问题通过以下技术方案以实现：
6.一种超声波水表流量测量方法，包括以下步骤：
7.s1、超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲：所述超声波换能器包括第二换能器、第三换能器和至少一个第一换能器；获取并保存所述第一换能器分别与所述第二换能器、所述第三换能器的tdc方案的飞行时间；
8.s2、获取所述第一换能器、所述第二换能器、所述第三换能器在超声波水表中的基础参数；
9.s3、根据所述tdc方案的飞行时间和所述基础参数计算确定水流的矢量速度；
10.s4、根据所述水流的矢量速度确定流体的流量。
11.优选的，在所述s1中，所述获取并保存所述第一换能器分别与所述第二换能器、所述第三换能器的tdc方案的飞行时间包括：超声波在所述第一换能器到所述第二换能器的tdc方案的飞行时间、超声波在所述第一换能器到所述第三换能器的tdc方案的飞行时间、超声波在所述第二换能器到所述第一换能器的tdc方案的飞行时间和超声波在所述第三换能器到所述第一换能器的tdc方案的飞行时间。
12.优选的，在所述s2中，所述基本参数包括所述第一换能器与所述第三换能器之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角、所述第一换能器与所述第二换能器之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角。
13.优选的，在所述s2中，所述基本参数包括所述第一换能器与所述第二换能器之间
在所述流体流动方向上位移差和所述第一换能器与所述第三换能器之间在所述流体流动方向上位移差。
14.优选的，在所述根据所述tdc方案的飞行时间和所述基础参数计算确定水流的矢量速度中，建立飞行时间方程式：
[0015][0016][0017][0018]
根据方程组求解可得c和v；
[0019]
其中，所述t
12
为超声波在所述第一换能器p1到所述第二换能器p2的tdc方案的飞行时间，所述t
13
为超声波在所述第一换能器p1到所述第三换能器p3的tdc方案的飞行时间，所述t
21
为超声波在所述第二换能器p2到所述第一换能器p1的tdc方案的飞行时间，所述t
31
超声波在所述第三换能器p3到所述第一换能器p1的tdc方案的飞行时间，所述β为所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角，所述α为所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角，所述l1为所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间在所述流体流动方向上位移差，所述l2为所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间在所述流体流动方向上位移差，所述v为水流的矢量速度，所述δ1为tdc测量所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间时差信号结果中所包含的偏移误差，所述δ2为tdc测量所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间时差信号结果中所包含的偏移误差。
[0020]
优选的，tdc方案包括：
[0021]
通过电信号驱动第一换能器p1连续发射多个周期的超声波信号，计时器同时启动计时；
[0022]
所述第二换能器和所述第三换能器收到超声信号并输出的电信号，电信号输入比较器，比较器输出反转的同时保存计时器实时数值，连续多次触发多次保存计时器数值；
[0023]
计算多个计时器数值的加权平均数，作为tdc时差测量结果；
[0024]
依上述步骤驱动所述第一换能器、所述第二换能器、所述第三换能器，获得时差测量结果。
[0025]
优选的，所述根据水流的矢量速度确定流体的流量中，系统以t为周期进行时差测量和瞬时流量，瞬时流量与测量周期的乘积进行累加获得累积流量，其中其中，k为自然次数，qk为瞬时流量，t为测量周期，qt为累积流量。
[0026]
优选的，一种超声波水表，运用上述任意一项所述的超声波水表流量测量方法，所述超声波水表包括：
[0027]
筒体，所述筒体内设有流体通道，所述流体通道用于输送被测量流体；
[0028]
超声波换能器，所述超声波换能器包括第二换能器、第三换能器和至少一个第一换能器，所述第二换能器、第三换能器和第一换能器连接在筒体上并且均可延伸至所述流体通道内；
[0029]
时间数字转换tdc模块，所述时间数字转换tdc模块包括tdc芯片、水流寄存器和数据缓冲器，所述tdc芯片用于检测所述第一换能器分别与所述第二换能器和第三换能器之间的声波飞行时间；所述水流寄存器用于预设测量周期和检测次数；所述数据缓冲器用于存储所述tdc芯片所获得的飞行时间；
[0030]
主控mcu，所述主控mcu用于计算被测量流体的流量，获取用水量；所述主控mcu通过无线通讯模块与外界终端连接。
[0031]
优选的，所述第二换能器和所述第三换能器位于所述被测量流体流动方向的同一轴向轴线上，所述第一换能器位于不同于所述第二换能器或所述第三换能器一端的被测量流体流动方向另一轴向轴线上。
[0032]
优选的，所述无线通讯模块选用lora、fsk和nb－iot中一种或者多种。
[0033]
有益效果：本发明的技术方案通过采用第一换能器分别发送超声波信号至所述第二换能器、第三换能器或者第一换能器分别接收所述第二换能器、第三换能器的超声波信号，然后获取并保存第一换能器分别与第二换能器、第三换能器的tdc方案的飞行时间；同时获取第一换能器、第二换能器、第三换能器在超声波水表中的基础参数；再计算确定水流的矢量速度；最后再根据水流的矢量速度确定流体的流量；进而通过增设一个或者多个第一换能器分别发送或者接收第二换能器和第三换能器的声波信号以及监测其相对应的飞行时间，可以减少监测流体的温度以及自身性能，减少温度参数以及流体自身性能参数对计算数据的影响，从而使得所要计算的条件数量不少于所需确认计算的未知数数量，保障结果的可解性；进一步地可以消除流体的温度以及流体本质等干扰因素的影响，可以有效地提高超声波水表测量的适用范围和精度以及可靠性。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明所述的一种超声波水表流量测量方法一实施例的流程图。
[0036]
图2是本发明所述的一种超声波水表一实施例的结构示意图。
[0037]
图3是本发明所述的一种超声波水表一实施例的结构框图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，
则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0040]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0041]
本发明提出一种超声波水表流量测量方法。
[0042]
如图1所示，在本发明一实施例中，该超声波水表流量测量方法；包括以下步骤：
[0043]
s1、超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲：所述超声波换能器包括第二换能器p2、第三换能器p3和至少一个第一换能器p1；获取并保存第一换能器p1分别与第二换能器p2、第三换能器p3的tdc方案的飞行时间；
[0044]
s2、获取第一换能器p1、第二换能器p2、第三换能器p3在超声波水表中的基础参数；
[0045]
s3、计算确定水流的矢量速度v；
[0046]
s4、根据水流的矢量速度v确定流体的流量q。
[0047]
本发明的技术方案通过采用第一换能器分别发送超声波信号至所述第二换能器、第三换能器或者第一换能器分别接收所述第二换能器、第三换能器的超声波信号，然后获取并保存第一换能器分别与第二换能器、第三换能器的tdc方案的飞行时间；同时获取第一换能器、第二换能器、第三换能器在超声波水表中的基础参数；再计算确定水流的矢量速度；最后再根据水流的矢量速度确定流体的流量；进而通过增设一个或者多个第一换能器分别发送或者接收第二换能器和第三换能器的声波信号以及监测其相对应的飞行时间，可以减少监测流体的温度以及自身性能，减少温度参数以及流体自身性能参数对计算数据的影响，从而使得所要计算的条件数量不少于所需确认计算的未知数数量，保障结果的可解性；进一步地可以消除流体的温度以及流体本质等干扰因素的影响，可以有效地提高超声波水表测量的适用范围和精度以及可靠性。
[0048]
其中，tdc是指时间数字转换器，其为常用的时间间隔测量电路。
[0049]
具体地，在所述s1中，所述获取并保存第一换能器分别与第二换能器、第三换能器的tdc方案的飞行时间包括：超声波在第一换能器p1到第二换能器p2的tdc方案的飞行时间t
12
、超声波在第一换能器p1到第三换能器p3的tdc方案的飞行时间t
13
、超声波在第二换能器p2到第一换能器p1的tdc方案的飞行时间t
21
和超声波在第三换能器p3到第一换能器p1的tdc方案的飞行时间t
31
。
[0050]
具体地，在所述s2中，所述基本参数包括所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角β、所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间的声波信号输送方向与筒体之间夹角α、所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间在所述流体流动方向上位移差l1和所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间在所述流体流动方向上位移差l2。
[0051]
具体地，在所述计算确定水流的矢量速度v中，建立飞行时间方程式：
[0052][0053][0054][0055]
根据方程组求解可得c和v。其中，c表示声音在水中的传播速度；v表示流体流动速度的大小和方向；所述δ1为tdc测量所述第一换能器p1与所述第二换能器p2之间时差信号结果中所包含的偏移误差，所述δ2为tdc测量所述第一换能器p1与所述第三换能器p3之间时差信号结果中所包含的偏移误差。
[0056]
其中，tdc方案包括：
[0057]
1.通过电信号驱动第一换能器p1连续发射多个周期的超声波信号，计时器同时启动计时；
[0058]
2.第二换能器p2和第三换能器p3收到超声信号并输出的电信号，电信号输入比较器，比较器输出反转的同时保存计时器实时数值，连续多次触发多次保存计时器数值reg1，reg2；
[0059]
3.计算多个计时器数值的加权平均数，作为tdc时差测量结果；
[0060]
4.依此驱动第一换能器p1、第二换能器p2、第三换能器p3，获得时差测量结果t
12
、t
21
、t
13
和t
31
。
[0061]
具体地，所述根据水流的矢量速度v确定流体的流量q中，系统以t为周期进行时差测量和瞬时流量，瞬时流量与测量周期的乘积进行累加获得累积流量q
t
，其中，k为自然次数，q
t
为瞬时流量，t为测量周期。
[0062]
本发明还提出一种超声波水表，该超声波水表运用上述超声波水表流量测量方法，该超声波水表流量测量方法的具体结构参照上述实施例，由于本超声波水表采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，如图2和3所示，所述超声波水表包括：
[0063]
筒体1，所述筒体1内设有流体通道，所述流体通道用于输送被测量流体；
[0064]
超声波换能器，所述超声波换能器包括第二换能器p2、第三换能器p3和至少一个第一换能器p1，所述第二换能器p2和所述第三换能器p3位于所述被测量流体流动方向的同一轴向轴线上，所述第一换能器p1位于不同于所述第二换能器p2或所述第三换能器p3一端的被测量流体流动方向另一轴向轴线上；所述第一换能器p1分别与所述第二换能器p2和第三换能器p3连接；其中，在其一实施方式中，所述第一换能器p1选用一个，所述第一换能器p1分别输送超声波信号至所述第二换能器p2和所述第三换能器p3或者接收来自所述第二换能器p2和所述第三换能器p3的超声波信号；其中，在另一实施方式中，所述第一换能器p1选用两个或者两个以上时，各个所述第一换能器p1分别输送超声波信号至所述第二换能器p2和所
述第三换能器p3或者接收来自所述第二换能器p2和所述第三换能器p3的超声波信号；
[0065]
时间数字转换tdc模块，所述时间数字转换tdc模块包括tdc芯片、水流寄存器reg和数据缓冲器buf，所述tdc芯片用于检测所述第一换能器p1分别与所述第二换能器p2和第三换能器p3之间的声波飞行时间；所述水流寄存器reg用于预设测量周期和检测次数；所述数据缓冲器buf用于存储所述tdc芯片所获得的飞行时间；其中，所述水流寄存器reg包括流体测试周期寄存器reg1和流体测量次数寄存器reg2，所述流体测试周期寄存器reg1用于预设声波测量周期；所述流体测量次数寄存器reg2用于在单位时间内声波测量的次数；
[0066]
主控mcu，所述主控mcu用于计算被测量流体的流量，获取用水量；所述主控mcu通过无线通讯模块nb与外界终端连接。
[0067]
其中，主控mcu，又称微控制单元；是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制；诸如手机、pc外围、遥控器，汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等。
[0068]
其中，无线通讯模块nb支持gprs和短消息双通道传输数据；支持多中心数据通信；采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、plc等；并且支持远程参数设置、程序升级；其中，在本实施方式中，无线通讯模块nb可选用lora、fsk和nb－iot中一种或者多种。
[0069]
其中，外部终端可以是智能手机，也可以是pc(personalcomputer，个人计算机)、平板电脑、便携计算机、服务器等终端设备。
[0070]
其中，所述终端也可以包括：处理器(例如cpu)，通信总线，用户接口，网络接口，存储器。
[0071]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。