CN112964317A - 一种基于温度补偿的流量测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿的流量测算方法，属于超声波水表技术领域。本发明通过静水状态下，超声波的传播时间以及此温度下超声波在水中的传播速度计算得到超声波的实际传播距离；然后通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已测得的实际传播距离得到该温度下的超声波传播速度，然后利用超声波传播速度与水温的关系计算得到流体的实际温度，进而做出温度补偿。本发明方法可以在不增加硬件成本的基础上，通过静水状态下超声波的实际传播距离和传播时间，实现对水温的精确测量；对温度的变化响应速度快，实时性好，能较准确的测量表端水的温度，并做出温度补偿，测量精度高。

Description

一种基于温度补偿的流量测算方法
技术领域
本发明涉及超声波水表技术领域，特别涉及一种基于温度补偿的流量测算方法。
背景技术
水表作为测量用水的工具，广泛使用在各种用水的场所，例如家庭用水，工业用水以及农业用水等，但是现有常用的是机械式水表，而机械式水表受限较多，所以并不能广泛应用在各种环境下。于是人们设计出超声波水表，其具有量程宽，适用环境强等优点。
目前超声波水表多是基于超声波时差原理，通过检测超声波声束在测量管内流体中顺流/逆流传播时产生的时差，分析得出流体的流速，从而进一步计算出流体的流量。
而在实际应用中超声波水表极易受到外界因素的干扰，造成计量精度下降。一般因素包括工作环境温度变化，介质温度变化、流速分布不均匀、基表管段的几何参数变化等，为测量温度数据，目前多使用DAC或专用芯片配合嵌入表体内的温度传感器如PT1000、PT500等测量模拟值获得介质温度数据，这种方法在流体温度大范围变化时需要较长时间才能与水温同步，温度变化实时性较差，进而影响流量测量；也需要增加专用电路，增加了硬件成本。
因此开发一种可通过超声表直接精确测量水温用以温度补偿的超声波水表水量测算方法意义重大。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决现有技术的不足，解决超声波水表对介质温度测量的问题，本发明提供了一种基于温度补偿的流量测算方法。
本发明的技术方案为：
一种基于温度补偿的流量测算方法，包括步骤：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静；根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静，通过公式(I)计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0；
t0＝(tu静+td静)/2 (I)；
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据发送到水表端；水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格，获得该温度下超声波在水中的传播速度C0；
③根据公式(Ⅱ)计算超声波在管道中的实际传播距离M，并将M保存至单片机的存储器中；
M＝t0×C0 (Ⅱ)；
2)获得超声波传播速度
测量任意水温下超声波在测量管段中的传播时间t，进而通过公式(Ⅲ)获得超声波传播速度C；
C＝M/t (Ⅲ)；
3)测得水温
根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格，获得当前水温Tc；
4)利用时间差法计算流速vr
根据超声波在测量管段上下游传播时间差Δt以及超声波传播速度C，利用时间差法通过公式(Ⅳ)计算流速；
vr＝(Δt×C2)/2L (Ⅳ)其中，L为超声波水表中两反射片之间的距离；
5)温度补偿
根据已得到的温度Tc、流速vr以及补偿因数k，根据公式(Ⅴ)，得到温度补偿后的流速；
vc＝kvr (Ⅴ)。
本发明通过静水状态下，超声波的传播时间以及此温度下超声波在水中的传播速度计算得到超声波的实际传播距离；然后通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已测得的实际传播距离得到该温度下的超声波传播速度，然后利用超声波传播速度与水温的关系计算得到流体的实际温度，实时作出温度补偿。
作为一种优选的实施方式，步骤①中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式，步骤①中，下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式，步骤②中，水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，做线性拟合，通过公式(Ⅵ)得到该温度下超声波在水中的传播速度；
C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)] (Ⅵ)。
作为一种优选的实施方式，步骤3)中，根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格，判断当前流速C所在声速范围，cL＜c＜cH，及其对应温度Tc的范围TL＜Tc＜TH，做线性拟合，根据公式(Ⅶ)计算得到Tc；
Figure BDA0002940593350000031
作为一种优选的实施方式，步骤②中，流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
作为一种优选的实施方式，步骤①，首先使水在超声波管段内流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
作为一种优选的实施方式，步骤5)中，根据预置的补偿因数表格，计算得到对应温度下的补偿因数k。
作为更优选的实施方式，根据温度Tc、流速vr确定对应的补偿因数所在范围，kmin<k<kmax及温度范围Tmin<Tc<Tmax，利用插值法根据公式(Ⅷ)计算出补偿因数；
k＝kmax-(Tmax-Tc)*(kmax-kmin)/(Tmax-Tmin) 公式(Ⅷ)。
本发明的有益效果为：
本发明方法可以在不增加硬件成本的基础上，通过静水状态下超声波的实际传播距离和传播时间，实现对水温的精确测量；对温度的变化响应速度快，实时性好，能较准确的测量表端水的温度，并做出温度补偿，测量精度高。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于温度补偿的流量测算方法的流程图；
图2为实施例所用超声波水表的内部框图；
图3为超声波水表的基表的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1
需要说明的是，本发明基于温度补偿的流量测算方法应用于现有的超声波水表，在本实施例中，所用超声波水表的基本结构框图如图2所示。其中STM32L073V8T6为单片机，TDC-GP22为时间测试芯片。
如图1所示，一种基于温度补偿的流量测算方法：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①首先使水在超声波管段内充分流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，静水状态下，测量超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静。
根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0；
t0＝(tu静+td静)/2； (I)
其中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值；下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据通过红外通信接口发送到水表端；水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格(表1)，判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，(比如实际T水温为20.5℃，则TL为20℃，TH为21℃；CL为1482.258m/s，CH为1485.286m/s；)通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度(通过公式(Ⅵ)拟合)获得该温度下超声波在水中的传播速度C0；
C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)] (Ⅵ)。
内置于***的速度-温度关系表格如表1所示：
表1超声波传播速度与流体速度的关系(1标准大气压下)
Figure BDA0002940593350000051
Figure BDA0002940593350000061
Figure BDA0002940593350000071
③根据公式(Ⅱ)计算超声波在管道中的实际传播距离M，并将M保存至STM32L073V8T6单片机的存储器中；
M＝t0×C0 (Ⅱ)
2)获得超声波传播速度
测量任意水温下超声波在测量管段中的传播时间t，进而通过公式(Ⅲ)获得超声波传播速度C，C＝M/t (Ⅲ)；
3)测得水温
根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格，获得当前水温Tc。
根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格(表1)，判断当前流速C所在声速范围，cL＜c＜cH，及其对应温度Tc的范围TL＜Tc＜TH，做线性拟合，根据公式(Ⅶ)计算得到Tc；
Figure BDA0002940593350000081
4)利用时间差法计算流速vr
根据超声波在测量管段上下游传播时间差Δt以及超声波传播速度C，利用时间差法通过公式(Ⅳ)计算流速；
vr＝(Δt×C2)/2L (Ⅳ)，其中，L为超声波水表中两反射片之间的距离。
5)温度补偿
根据已得到的温度Tc、流速vr以及补偿因数k，根据公式(Ⅴ)，得到温度补偿后的流速；
vc＝kvr (Ⅴ)。
根据预置的补偿因数表格(表2)，计算得到对应温度下的补偿因数k。
具体地，根据温度Tc、流速vr确定对应的补偿因数所在范围，kmin<k<kmax及温度范围Tmin<Tc<Tmax，利用插值法计算出补偿因数
k＝kmax-(Tmax-Tc)*(kmax-kmin)/(Tmax-Tmin) 公式(Ⅷ)。
表2补偿因素表
Figure BDA0002940593350000082
根据表2，如果温度Tc为23°，vr为0.016m3/h；
则，Tmax为30°，Tmin为20°，kmin为1.00，kmax为1.04。
当然，温度因数表格还可以更加细化。

Claims (9)

1.一种基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于，包括步骤：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静；根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静，通过公式(I)计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0；
t0＝(tu静+td静)/2 (I)；
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据发送到水表端；水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格，获得该温度下超声波在水中的传播速度C0；
③根据公式(Ⅱ)计算超声波在管道中的实际传播距离M，并将M保存至单片机的存储器中；
M＝t0×C0 (Ⅱ)；
2)获得超声波传播速度
测量任意水温下超声波在测量管段中的传播时间t，进而通过公式(Ⅲ)获得超声波传播速度C；
C＝M/t (Ⅲ)；
3)测得水温
根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格，获得当前水温Tc；
4)利用时间差法计算流速vr
根据超声波在测量管段上下游传播时间差Δt以及超声波传播速度C，利用时间差法通过公式(Ⅳ)计算流速；
vr＝(Δt×C2)/2L (Ⅳ)其中，L为超声波水表中两反射片之间的距离；
5)温度补偿
根据已得到的温度Tc、流速vr以及补偿因数k，根据公式(Ⅴ)，得到温度补偿后的流速；
vc＝kvr (Ⅴ)。
2.如权利要求1所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤①中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
3.如权利要求1所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤①中，下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
4.如权利要求1-3任一项所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤②中，水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，做线性拟合，通过公式(Ⅵ)得到该温度下超声波在水中的传播速度；
C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)] (Ⅵ)。
5.如权利要求1所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤3)中，根据获得的超声波传播速度C以及预设的超声波在水中的传播速度与温度的关系表格，判断当前流速C所在声速范围，cL＜c＜cH，及其对应温度Tc的范围TL＜Tc＜TH，做线性拟合，根据公式(Ⅶ)计算得到Tc；
Figure FDA0002940593340000021
6.如权利要求1或2所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤②中，流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
7.如权利要求1所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤①，首先使水在超声波管段内流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
8.如权利要求1所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：步骤5)中，根据预置的补偿因数表格，计算得到对应温度下的补偿因数k。
9.如权利要求8所述基于温度补偿的流量测算方法，其特征在于：根据温度Tc、流速vr确定对应的补偿因数所在范围，kmin<k<kmax及温度范围Tmin<Tc<Tmax，利用插值法根据公式(Ⅷ)计算出补偿因数；
k＝kmax-(Tmax-Tc)*(kmax-kmin)/(Tmax-Tmin) 公式(Ⅷ)。
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