CN110375818A - 全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法。其特点是，包括如下步骤：(1)首先微控制器MCU发出超声波时差检测命令，通过超声波驱动电路驱动超声波换能器分别检测顺流时和逆流时超声波的传播时间，得到顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，控制超声波检测频率为4Hz即250ms检测一次。本发明方法通过超声波测得的时差反算出水温，同时基于雷诺数分段的方法，对温度在0℃—50℃温度范围的水介质进行流量精度补偿，使超声波水表在低功耗的前提下，精度更高，更稳定。

Description

全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法

技术领域

本发明涉及一种全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法。

背景技术

近年来，超声波流量计量产品近几年呈现爆发式增长，但是目前基于电池供电的低功耗超声波水表在全温度范围内的精度和稳定性上并不理想。目前的超声波水表(流量计)是通过时间差来间接测量流量的，基于电池供电的低功耗超声波水表在全温度范围内的精度和稳定性上并不理想；流体在封闭管道中流动时，其速度分布及温度会明显影响超声流量计的计量精度，要得到精确的计量精度，需要考虑时间、温度等这些因素；目前的超声波流量计多数都采用低功耗电池供电的方案，考虑到功耗及所使用MCU的性能问题，所使用的补偿算法不能太过复杂，计算时间不能太长，算法要易于实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法，该算法易于实现并且计量精度更高、更稳定。

一种全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)首先微控制器MCU发出超声波时差检测命令，通过超声波驱动电路驱动超声波换能器分别检测顺流时和逆流时超声波的传播时间，得到顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，控制超声波检测频率为4Hz即250ms检测一次；

(2)通过顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，运用公式 计算出当前的超声波速度C，单位为m/s，其中L代表两个换能器之间的有效长度，再通过该超声波速度运用公式C＝1447.59+3.68(t-10)-0.0279(t-10)2计算出此时的水温t，单位为℃；

(3)通过超声波时间差ΔT＝T2-T1以及公式其中v、L、C分别代表流体的流速、两个换能器之间的有效长度和超声波的速度，计算出初始流量值，通过雷诺数公式Re＝ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度和黏性系数，而d为管道直径，当得出的雷诺数小于等于临界雷诺数Re＝2300时为层流状态，当得出的雷诺数大于临界雷诺数Re＝2300时为紊流状态；

(4)根据流体力学的半经验公式，线平均流速v_m与面平均流速之关系为式中k为流体动力学修正系数，针对当前雷诺系数所在范围对校准程序进行分段，层流状态为第一段，此时k＝4/3，紊流状态为第二段，在第二段内，不同的雷诺系数值所得出的流体力学修正系数k不同，具体是当临界雷诺数Re>10⁵时当临界雷诺数Re≤10⁵时k＝1+0.2488Re^-0.125。

步骤(2)通过超声波速度C计算此时的水温t，需要通过如下四段进行公式拟合,具体公式如下：

当水温t为0℃<t≤20℃时：

C＝1447.59+3.98668(t-10)-0.04894974(t-10)2；

当水温t为20℃<t≤30℃时：

C＝1497+2.67673(t-25)-0.0380421(t-25)2；

当水温t为30℃<t≤40℃时：

C＝1520.12+1.972818(t-35)-0.03245921(t-35)2；

当水温t为40℃<t≤50℃时：

C＝1536.72+1.36781(t-45)-0.027948(t-45)2；

然后在标准温度下进行校准，具体是在恒温水槽下，以25℃±0.5℃为基准温度，采用校准后的二等标准铂电阻作为最终温度检测的标准。

本发明方法通过超声波测得的时差反算出水温，同时基于雷诺数分段的方法，对温度在0℃—50℃温度范围的水介质进行流量精度补偿，使超声波水表在低功耗的前提下，精度更高，更稳定。

附图说明

图1是本发明整体流量补偿算法流程图；

图2是本发明补偿算法校准图。

具体实施方式

超声波测量水流量的方法是基于时差法进行测量的，其原理在于测量高频声波在水流中的穿行时间，由于声波的波速直接受水流流速的影响，在不同流速的水流中传播的速度不同，根据这一特点可应用一对超声波换能器相向交替收发超声波，通过测量超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差(或相位差)来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量，根本原理是通过时间差来间接测量流量。流体在封闭管道中流动时，其速度分布及温度会明显影响超声流量计的计量精度，要得到精确的计量精度，必须考虑到这些因素的影响。

目前的超声波流量计多数都采用低功耗电池供电的方案，考虑到功耗及所使用MCU的性能问题，所使用的补偿算法不能太过复杂，计算时间不能太长，算法要易于实现，这就需要我们在算法是有所突破，找到适合于高频次，高精度的超声波流量计量补偿算法。

由于超声波在水中的传播速度受水温影响比较大，所以要对流量进行温度补偿，水温的准确感知是首要的，两个换能器之间的有效超声波传输距离为L，因为是通过时差法测量流量,通过顺流测得的超声波传播时间T1，逆流测得的超声波传播时间T2,可以反算出超声波速度C，单位为m/s:

通过超声波速度又可以反算出水体温度,通过以下两个公式可以得出水温t的值,为了更精确地计算出温度值，我们采用了分段拟合，分段计算的方式：

当水温t为0℃<t≤20℃时:

C＝1447.59+3.98668(t-10)-0.04894974(t-10)2；

当水温t为20℃<t≤30℃时:

C＝1497+2.67673(t-25)-0.0380421(t-25)2；

当水温t为30℃<t≤40℃时:

C＝1520.12+1.972818(t-35)-0.03245921(t-35)2；

当水温t为40℃<t≤50℃时:

C＝1536.72+1.36781(t-45)-0.027948(t-45)2；

由于不同硬件参数会对温度计算的精度产生影响，所以每个超声波流量计都分进行温度标定，计算出来的温度更加准确。

假如测得的时间差ΔT＝T2-T1以及公式(v、L、C分别代表流体的流速、两个换能器之间的有效长度、超声波的速度)可以看出水流速度跟超声波速度的平方有线性关系。

作为被测介质，水属于流体，就可以用流体力学来研究。流体是具有粘性的，同时流体的流动状态也是变化的，相应的雷诺系数亦会变化，必然会对流速产生影响。当水流在管内运动时，流体在同一个截面上不同径向位置流速不同，当靠近管壁时，流速较低；靠近管中心时，流速较高。总之，不同的雷诺系数下，水流在管内将呈现不同的速度分布。

雷诺数计算公式：雷Re＝duρ/μ，其中：Re为雷诺数，d为管子内径，u为流体流速，ρ为流体密度，μ为流体粘度。

超声波流量计在导出其相应的流量计算公式时，所测量和计算的流速是声道上的线平均流速Vm，而计算流量所需是流过横截面的(等效)平均流速因此，必须采用合适的算法对流速分布进行补偿。根据流体力学的半经验公式，线平均流速Vm与面平均流速之关系为：式中k为流体动力学修正系数,这个系数与雷诺系数的关系是一个相当复杂的函数关系，而且当流体在层流状态与紊流状态时两者呈现出完全不同的函数关系，所以这种测量误差必须根据测得的线平均流速进行动态的补偿，而不能采用固定比率。

在动态补偿的过程中，如果线平均速度有较大的误差，雷诺数修正引起的误差也变大。作为流量计使用的计算公式，考虑到功耗和计算量，太过复杂的计算方式，普通单片机基本实现不了，因此我们采用了相对易于实现的分段拟合的计算模式，分段数越多，计算精度越高，越贴合实际函数曲线，目前此算法采用了三段拟合的计算方法。

结合之前的温度参数，及时间参数，我们可以分温度段和雷诺系数段进行算法分析，由于雷诺系数里的参数流体密度和粘度(在一定压力下)与温度同样具有一定的函数关系，所以我们可以只以测得的时间差为参数，进行较为复杂的多段函数拟合，结合理论计算以及实测数据，最终实现多段流量系数补偿函数，使得超声波计量在宽温度范围，宽量程比上相对于传统机械流量计量无可比拟的巨大优势。

实施例1：

下面结合本发明附图，对本发明做详细说明。

超声波水表(流量计)通过MCU发出超声波时差检测命令，此时超声波驱动电路，驱动超声波换能器分别检测顺流和逆流时超声波传播时间，得到顺流传播时间T1,逆流传播时间T2，超声波检测频率为4Hz，相当于250mS检测一次。程序通过T1和T2计算出当前的超声波速度，通过超声波速度再推算出此时的水温，为了更精确地算出水温，分四段进行公式拟合。另外，为了得到更准确的计算结果，必须在标准温度下进行校准，此时可在恒温水槽下，以25℃±0.5℃为基准温度，采用校准后的二等标准铂电阻作为最终温度检测的标准，以期得到最为精确的温度值。

此时可以对流量进行初步计算，通过时间差ΔT(ΔT＝T2-T1)可计算出初始流量值。通过测得的超声波时差ΔT的值以及计算出的温度值计算出当前的雷诺系数：已知当前超声波管段内径，通过测得的时差ΔT计算出当前流体的平均流速，水的密度在一定的压力和温度范围内可按照一个常量来计算，在此算法中是按水温25℃，一个标准大气压来计算的，流体粘度由于跟水温关系比较密切，可通过之前算出来的温度通过查表得到当前温度下的粘度值。

针对当前雷诺系数所在范围对校准程序进行分段(共三段)，层流状态下作为一段，紊流段可分为两段，最好以分界流量点的雷诺系数作为分段点，这样便于批量生产和批量校准，能最大限度地减小校表工作量，同时能保障全流量范围内的精度要求。不同的段通过不同的数学模型拟合出不同的计算公式，公式的入口参数就是已计算出的当前温度和时差值ΔT，通过公式修正即可对当前的流量值进行修正，实际就是对当前的流量系数进行补偿。

要想使整体流量精度准确，要针对首次测试实际误差进行校准，校准的过程其实就是对三段公式里面的参数进行调整的过程，校准后的表具至少可以达到一级以上精度。

Claims (2)

1.一种全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先微控制器MCU发出超声波时差检测命令，通过超声波驱动电路驱动超声波换能器分别检测顺流时和逆流时超声波的传播时间，得到顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，控制超声波检测频率为4Hz即250ms检测一次；

(2)通过顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，运用公式 计算出当前的超声波速度C，单位为m/s，其中L代表两个换能器之间的有效长度，再通过该超声波速度运用公式C＝1447.59+3.68(t-10)-0.0279(t-10)2计算出此时的水温t，单位为℃；

(3)通过超声波时间差ΔT＝T2-T1以及公式其中v、L、C分别代表流体的流速、两个换能器之间的有效长度和超声波的速度，计算出初始流量值，通过雷诺数公式Re＝ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度和黏性系数，而d为管道直径，当得出的雷诺数小于等于临界雷诺数Re＝2300时为层流状态，当得出的雷诺数大于临界雷诺数Re＝2300时为紊流状态；

(4)根据流体力学的半经验公式，线平均流速v_m与面平均流速之关系为式中k为流体动力学修正系数，针对当前雷诺系数所在范围对校准程序进行分段，层流状态为第一段，此时k＝4/3，紊流状态为第二段，在第二段内，不同的雷诺系数值所得出的流体力学修正系数k不同，具体是当临界雷诺数Re>10⁵时当临界雷诺数Re≤10⁵时k＝1+0.2488Re^-0.125。

2.如权利要求1所述的全温度范围超声波流量计量高精度低功耗补偿方法，其特征在于：步骤(2)通过超声波速度C计算此时的水温t，需要通过如下四段进行公式拟合,具体公式如下：

当水温t为0℃<t≤20℃时：

C＝1447.59+3.98668(t-10)-0.04894974(t-10)2；

当水温t为20℃<t≤30℃时：

C＝1497+2.67673(t-25)-0.0380421(t-25)2；

当水温t为30℃<t≤40℃时：

C＝1520.12+1.972818(t-35)-0.03245921(t-35)2；

当水温t为40℃<t≤50℃时：

C＝1536.72+1.36781(t-45)-0.027948(t-45)2；

然后在标准温度下进行校准，具体是在恒温水槽下，以25℃±0.5℃为基准温度，采用校准后的二等标准铂电阻作为最终温度检测的标准。