CN112254835A - 一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声波水表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声水表的水流温度测量方法，包括：获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离；获取距离误差补偿系数，并根据理论传播距离计算获得超声波的实际传播距离；获取时间测量芯片的转换时间，以及读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间，并且根据转换时间以及读取的传播时间计算获得超声波实际传播时间；根据所述实际传播距离和实际传播的时间计算获得超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度；根据超声波传播速度与水体温度之间关系的计算公式计算获得当前流经水表水体的实际温度。本发明以使得水流温度测量更加准确并且快速。

Description

一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声波水表

技术领域

本发明涉及超声波水表技术领域，尤其涉及一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声水表。

背景技术

随着我国供水用水行业的迅速发展，各自来水公司不仅只需要获取各用户的用水量等数据，为了便于监控用水质量需要对水流的温度数据进行采集。因此水表需增加温度采集功能来满足用户需求。目前行业内部常用的方法是在水表中加入温度传感器模块通过温度传导来测量流水的温度。该方法不足：1、需要增加温度传感器及安装结构，并增加产品成本；2、增加水表的功耗，从而缩短了同等条件下水表的使用寿命。

发明内容

本发明提供一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声水表，以使得水流温度测量更加准确并且快速。

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种基于超声水表的水流温度测量方法，所述水流温度测量方法包括：

获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离；

获取距离误差补偿系数，并根据理论传播距离计算获得超声波的实际传播距离；

获取时间测量芯片的转换时间，以及读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间，并且根据转换时间以及读取的传播时间计算获得超声波实际传播时间；

根据所述实际传播距离和实际传播的时间计算获得超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度；

根据超声波传播速度与水体温度之间关系的计算公式计算获得当前流经水表水体的实际温度。

作为上述技术方案的优选，所述水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：测量超声波发射端到超声波接收端之间的距离，并将所述测量的距离作为超声波理论传播距离进行存储。

作为上述技术方案的优选，所述水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：获取超声波在第一特定温度纯净水中的第一传播速度，以及获取超声波在第二特定温度纯净水中的第二传播速度，读取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间，读取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的第二传播时间；

根据所述第一传播速度和所述第一传播时间以及所述第二传播速度和所述第二传播时间计算获得超声波实际传播距离以及时间测量芯片的转换时间，并且对转换时间进行存储；

根据实际传播的距离和理论传播的距离获得超声波水表的距离误差补偿系数并且对所述距离误差补偿系数进行存储。

作为上述技术方案的优选，所述传播速度与温度的计算公式为：f1＝(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)-1667.5/(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)+57.931；其实f1为当前水体的温度，Cx为超声波在当前水体中实际传播的速度。

作为上述技术方案的优选，所述第一传播速度为超声波在15摄氏度纯净水中的传播速度，所述第二传播速度为超声波在25摄氏度纯净水中的传播速度。

作为上述技术方案的优选，所述第一传播时间为15摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间，所述第二传播时间为25摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间。

作为上述技术方案的优选，所述水流温度测量方法还包括：单位时间进行多次计算当前流经水表水体的温度并求其平均值作为最终显示温度，并对该最终显示温度进行存储。

作为上述技术方案的优选，所述水流温度测量方法还包括：调用存储的实际温度值，并将其显示在水表的显示屏上。

作为上述技术方案的优选，获取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：15摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间，读取该时间作为第一传播时间，获取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：25摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间，读取该时间作为第二传播时间。

本发明另一方面提供了一种超声波水表，所述超声波水表包括控制处理器，所述控制处理器包括：

存储单元，用于存储理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

获取单元，用于从存储单元中获取所述理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

读取单元，用于读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间；

计算单元，用于计算超声波的实际传播距离、超声波实际传播时间、超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度以及当前流经水表水体的实际温度。

本发明提供一种基于超声水表的水流温度测量方法，其通过查询水表的规格以及测量可得到超声波水表从发射端到接收端的距离，由于安装精度和测量误差以及外在环境的影响(如热胀冷缩等)等因素影响，测量距离跟超声波实际传播的距离存在误差，因此本发明中采用距离误差补偿系数来消除该误差，同时还考虑了在时间测量芯片将接收到的声波信号转化为电信号并通过数字信号显示或是读取的时间，其计算获得的超声波在水流中的传播速度更加准确，因此其获得的水流温度值也更加准确，并且其计算所需要的参数小，计算过程简单，大大减少了计算量，降低了能耗，更进一步可快速获得水流温度值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例中超声波在水表中传播的工作原理示意图；

图2为本发明的工作流程示意图；

图3为本发明实施例中控制处理器的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

参见图2，本发明实施例提供了一种基于超声水表的水流温度测量方法，水流温度测量方法包括步骤S10～S50

步骤S10：获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离；

步骤S20：获取距离误差补偿系数，并根据理论传播距离计算获得超声波的实际传播距离；

步骤S30：获取时间测量芯片的转换时间，以及读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间，并且根据转换时间以及读取的传播时间计算获得超声波实际传播时间；

步骤S40：根据所述实际传播距离和实际传播的时间计算获得超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度；

步骤S50：根据超声波传播速度与水体温度之间关系的计算公式计算获得当前流经水表水体的实际温度。

本发明一种基于超声水表的水流温度测量方法，其通过查询水表的规格以及测量可得到超声波水表从发射端到接收端的距离，由于安装精度和测量误差以及外在环境的影响(如热胀冷缩等)等因素影响，测量距离跟超声波实际传播的距离存在误差，因此本发明中采用距离误差补偿系数来消除该误差，同时还考虑了在时间测量芯片将接收到的声波信号转化为电信号并通过数字信号显示或是读取的时间，其计算获得的超声波在水流中的传播速度更加准确，因此其获得的水流温度值也更加准确，并且其计算所需要的参数小，计算过程简单，大大减少了计算量，降低了能耗，更进一步可快速获得水流温度值。

在本实施例的进一步可实施方式中，水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：测量超声波发射端到超声波接收端之间的距离，并将所述测量的距离作为超声波理论传播距离进行存储。

本实施例中的超声波理论传播距离S1由超声波发射端和超声波的接收端的安装位置所决定，其为超声波发射端到超声波的接收端之间的距离，其可以通过测量获得，由于安装尺寸和工艺的一致性，同一型号的所有的水表其超声波理论传播距离S1的数值是一致的，并且误差较小，采用S1作为计算参数不仅可以实现同一类型水表的统一，而且可以降低计算误差。

参见图2所示，超声波发射端到超声波的接收端之间的距离包括超声波发射端1到第一反射面2之间的距离L1，第一反射面2到第二发射面3之间的距离L2，以及第二反射面3到超声波接收端的距离L3，S1＝L1+L2+L3。

在本实施例的进一步可实施方式中，所述水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：获取超声波在第一特定温度纯净水中的第一传播速度，以及获取超声波在第二特定温度纯净水中的第二传播速度，读取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间，读取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的第二传播时间；

根据所述第一传播速度和所述第一传播时间以及所述第二传播速度和所述第二传播时间计算获得超声波实际传播距离的以及时间测量芯片的转换时间，并且对转换时间进行存储；

根据实际传播的距离和理论传播的距离获得超声波水表的距离误差补偿系数并且对所述距离误差补偿系数进行存储。

上述过程为在实际测量水温之前获取参数的实验过程，本实施例中，超声波在第一特定温度纯净水中的第一传播速度和超声波在第二特定温度纯净水中的第二传播速度为现有的可通过查询得到第一传播速度和第二传播速度，第一传播时间和第二传播时间可以通过读取水表上的时间测量芯片获得，其表示为T，并且该时间测量芯片在接收信号的过程需要转换时间Δt，基于超声波在液体中的渡越时间并结合已知固定声距，来推断超声波在液体中的速度Cx，再根据Cx推算出液体的温度值。

基本公式：S＝(C+V)*T(T为超声波在液体渡越时间)，由于液体中超声波速度C远大于流速V(可忽略不计)所以简化为S＝C*T。

根据路程S＝C*T。超声波在液体中的传播总路程S1＝L1+L2+L3,S1可根据设计得到，同时，由加工的精度的影响引入路径偏移量Δs，得到实际总的路程Sr＝S1+Δs。由于芯片转换时间也耗费时间Δt，因此超声波实际的渡越时间Tr＝T-Δt(T为时间测量芯片测得)，因此实际距离的计算公式为S＝(T-Δt)*C，采用第一特定温度的水体经过水表时以及采用第二特定温度的水体经过水表时，其超声波实际传播的距离分别为Sr1和Sr2，并且时间测量芯片测得的传播时间为Tr1和Tr2，由于在同一水表上实验，因此Sr1和Sr2是相同的，又查表已知第一传播速度Cr1和第二传播速度Cr2，带入上述公式可获得该款水表时间测量过程中的转换时间Δt，并且根据Sr＝S1+Δs＝k*S1，由于Sr已知可以获得距离误差补偿系数k的数值。

本实施例中获取距离误差补偿系数k和时间测量芯片的转换时间Δt的过程简单，计算方便，而且准确率高，还有，本实施例只需要借助现有的水表即可完成实验获取距离误差补偿系数k和时间测量芯片的转换时间Δt的数值并进行存储。

在本实施例的进一步可实施方式中，传播速度与温度的计算公式：f1＝(1495.7*Cx+((1495.7*Cx2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)-1667.5/(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)+57.931；其实f1为当前水体的温度，Cx为超声波在当前水体中实际传播的速度。

本实施例中纯水中声速和温度的公式如下：

Cx＝1402.38677+5.03798765*T-5.80980033*10-2*T2+3.3429665*10-4*T3-1.47936902*10-6*T4+3.14893508*10-9*T5，

(由于1.47936902*10-6*T4+3.14893508*10-9*T5部分对最终温度计算值精度影响很小可忽略不计，上述公式可简化为)

Cx＝1402.38677+5.03799*T-5.80980*10-2*T2+3.3429665*10-4*T3从而得到反函数公式

f1＝(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)-1667.5/(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)+57.931。

本实施例中的当前水体的温度计算过程简单，可减少计算量，降低水表的能耗。

在本实施例的进一步可实施方式中，所述第一传播速度为超声波在15摄氏度纯净水中的传播速度，所述第二传播速度为超声波在25摄氏度纯净水中的传播速度。

在本实施例的进一步可实施方式中，所述第一传播时间为15摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间，所述第二传播时间为25摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间。

本实施例中选取15摄氏度的纯净水以及25摄氏度的纯净水作为实验对象的具体原因为，在实际输水的过程中由于冬天的水温较低而夏天的温度高，选取15摄氏度的纯净水以及25摄氏度的纯净水其更能接近现实的工作环境，可排除由于实际工作的环境中温度原因所造成的误差，另外，实验的过程之中，所选择水体样本的温度差更大则其实验数据更加准确，因此本实施例中采用两种样本的温度差为10摄氏度，其既可以防止由环境温度所带来的误差，同时还可以保证精确度。

在本实施例的进一步可实施方式中，所述水流温度测量方法还包括：单位时间进行多次计算当前流经水表水体的温度并求其平均值作为最终显示温度，并对该最终显示温度进行存储。

本实施例中，采用多次测量求取平均值可以降低具体测量过程中的误差。

在本实施例的进一步可实施方式中，所述水流温度测量方法还包括：调用存储的实际温度值，并将其显示在水表的显示屏上。

在本实施例的进一步可实施方式中，获取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：15摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间并显示时间，读取该显示的时间作为第一传播时间，获取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：25摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间并显示时间，读取该显示的时间作为第二传播时间。

本实施例中的可直接在水表上进行实验，实验过程简单有效，降低了实验过程中的人力和物力成本。

参见图3所示，本实施例还提供了一种超声波水表，所述超声波水表包括控制处理器，所述控制处理器包括：

存储单元100，用于存储理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

获取单元200，用于从存储单元中获取所述理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

读取单元300，用于读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间；

计算单元400，用于计算超声波的实际传播距离、超声波实际传播时间、超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度以及当前流经水表水体的实际温度。

本发明实施例根据超声波在液体中，不同温度下传播速度不同，通过采集超声波波速，加载软件计算方法，得到液体温度，无需增加温度传感器，简化安装结构，从而节省产品成本，同等条件下，延长水表的使用时间；另外与温度传感器相比，理论上不存在测温的上限值，可以对温度范围更大的液体进行测量；还有本实施例无需温度传导，不受机械系数、环境差异等参数影响，由液体直接得到温度值，响应速度快，精确度更高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于超声水表的水流温度测量方法，其特征在于，所述水流温度测量方法包括：

获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离；

获取距离误差补偿系数，并根据理论传播距离计算获得超声波的实际传播距离；

获取时间测量芯片的转换时间，以及读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间，并且根据转换时间以及读取的传播时间计算获得超声波实际传播时间；

根据所述实际传播距离和实际传播的时间计算获得超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度；

根据超声波传播速度与水体温度之间关系的计算公式计算获得当前流经水表水体的实际温度。

2.根据权利要求1所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：测量超声波发射端到超声波接收端之间的距离，并将所述测量的距离作为超声波理论传播距离进行存储。

3.根据权利要求1所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述水流温度测量方法还包括：在获取从超声波发射端到超声波接收端之间测量的理论传播距离之前还需要：获取超声波在第一特定温度纯净水中的第一传播速度，以及获取超声波在第二特定温度纯净水中的第二传播速度，读取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间，读取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的第二传播时间；

根据所述第一传播速度和所述第一传播时间以及所述第二传播速度和所述第二传播时间计算获得超声波实际传播距离的以及时间测量芯片的转换时间，并且对转换时间进行存储；

根据实际传播的距离和理论传播的距离获得超声波水表的距离误差补偿系数并且对所述距离误差补偿系数进行存储。

4.根据权利要求1所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述传播速度与温度的计算公式为：f1＝(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)-1667.5/(1495.7*Cx+((1495.7*Cx-2.3396e6)^2+4.6367e9)^(1/2)-2.3396e6)^(1/3)+57.931；其实f1为当前水体的温度，Cx为超声波在当前水体中实际传播的速度。

5.根据权利要求3所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述第一传播速度为超声波在15摄氏度纯净水中的传播速度，所述第二传播速度为超声波在25摄氏度纯净水中的传播速度。

6.根据权利要求5所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述第一传播时间为15摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间，所述第二传播时间为25摄氏度的纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中的传播时间。

7.根据权利要求1所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述水流温度测量方法还包括：单位时间进行多次计算当前流经水表水体的温度并求其平均值作为最终显示温度，并对该最终显示温度进行存储。

8.根据权利要求5所述的水流温度测量方法，其特征在于，所述水流温度测量方法还包括：调用存储的实际温度值，并将其显示在水表的显示屏上。

9.根据权利要求1所述的水流温度测量方法，其特征在于，获取第一特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：15摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间，读取该时间作为第一传播时间，获取第二特定温度纯净水流经水表时超声波在流经水表的纯净水中第一传播时间包括：25摄氏度的纯净水流经水表，超声波发射端发出超声波并由超声波接收端接收超声波，该发射和接收过程经由超声换能器将声信号转换成电信号，由时间数字转换芯片获得超声波从发射端到接收端的时间，读取该时间作为第二传播时间。

10.一种超声波水表，其特征在于，所述超声波水表包括控制处理器，所述控制处理器包括：

存储单元，用于存储理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

获取单元，用于从存储单元中获取所述理论传播距离、距离误差补偿系数以及时间测量芯片的转换时间；

读取单元，用于读取时间测量芯片所接收到的当前超声波的传播时间；

计算单元，用于计算超声波的实际传播距离、超声波实际传播时间、超声波在当前经过水表的水体中的实际传播速度以及当前流经水表水体的实际温度。

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