CN116678459A - 一种超声波水表计量方法及超声波水表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波水表计量方法，包括以下步骤：换能器发射并接收超声波信号；根据所述超声波信号，计算超声波信号的声速，并判断所述超声波信号的声速是否合理；通过超声波信号的声速，计算流体在轴线上的线速度以及雷诺数；基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度；根据流体在管段截面上的面速度，计算超声波水表的流量值。本发明还公开了一种超声波水表。本发明解决了如何准确且快速的对超声波水表流量进行计算并输出结果的技术问题。

Description

一种超声波水表计量方法及超声波水表
技术领域
本发明涉及超声波水表技术领域，尤其涉及一种超声波水表计量方法及超声波水表。
背景技术
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。目前，国外的表计在超声波计量方面长期处于领先地位，国内在很长一段时间都是采用国外的计量解决方案，其基本原理是利用时差法，通过时间差来确定温度与线速度，然后根据线速度与面速度的转化关系来确定流量，从而实现流体的计量。对于超声波水表的研究，流量计算的关键环节为线速度与面速度的转换，在理论研究过程中，通常是依靠雷诺数，将流动分为三个阶段：层流、过渡流、湍流，当流体处于不同的流动状态，其对应的线速度与面速度的转换系数会出现明显的变化，而其理论计算公式较为复杂，如果直接应用在水表的计量模块中，会导致计算资源需求增加，无法保证水表的性价比。因此，亟待提出一种超声波水表计量方法及超声波水表，解决如何准确且快速的对超声波水表流量进行计算并输出结果的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种超声波水表计量方法及超声波水表，旨在解决如何准确且快速的对超声波水表流量进行计算并输出结果的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种超声波水表计量方法，其中，所述超声波水表计量方法包括以下步骤：
S1、换能器发射并接收超声波信号；
S2、根据所述超声波信号，计算超声波信号的声速，并判断所述超声波信号的声速是否合理；
S3、通过超声波信号的声速，计算流体在轴线上的线速度以及雷诺数；
S4、基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度；
S5、根据流体在管段截面上的面速度，计算超声波水表的流量值。
优选方案之一，所述步骤S1换能器发射并接收超声波信号之后，还包括：
根据所述超声波信号的占空比，判断换能器是否发生故障。
优选方案之一，所述步骤S2根据所述超声波信号，计算所述超声波信号的声速，具体为：
获取所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距；
根据所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距，计算超声波信号的声速；
判断所述超声波信号的声速是否合理；
若所述声速位于第一预设区间内，则获取第一预设区间对应的温度值；
若所述声速不在第一预设区间内，则进行换能器故障报警。
优选方案之一，所述声速为：
其中，C为声速，D为水表管段内径，L为超声波反射片中心距，t1为超声波信号上行时间，t2为超声波信号下行时间。
优选方案之一，所述线速度为：
其中，Vx为流体在轴线上的线速度。
优选方案之一，所述雷诺数为
其中，Re为雷诺数，ρ为对应温度值下的水的密度，μ为对应温度值下的水的动力粘度。
优选方案之一，所述步骤S4基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度，具体为：
构建流体在轴线上的线速度与流体在管段截面上的面速度的计算模型；
将流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合，得到所述计算模型在不同预制区间的拟合参数；
判断所述雷诺数所在的预制区间，通过对应预制区间的计算模型计算流体在管段截面上的面速度。
优选方案之一，所述预制区间包括第一预制区间、第二预制区间、第三预制区间和第四预制区间；
所述第一预制区间为Re≤500；
所述第二预制区间为500＜Re≤2000；
所述第三预制区间为2000＜Re≤4000；
所述第四预制区间为Re＞4000。
优选方案之一，所述流量值为：
其中，Q为超声波水表的流量值，为温度补偿系数，Vm'为流体在管段截面上的面速度。
一种超声波水表，所述超声波水表包括如上述的一种超声波水表计量方法。
本发明的上述技术方案中，该超声波水表计量方法包括以下步骤：换能器发射并接收超声波信号；根据所述超声波信号，计算超声波信号的声速，并判断所述超声波信号的声速是否合理；通过超声波信号的声速，计算流体在轴线上的线速度以及雷诺数；基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度；根据流体在管段截面上的面速度，计算超声波水表的流量值。本发明解决了如何准确且快速的对超声波水表流量进行计算并输出结果的技术问题。
在本发明中，通过设置四段雷诺数的预制区间，得到四段雷诺数的预制区间的计算模型，进而得到流体在管段截面上的面速度与线速度的转换关系，以准确反映流体对超声波传输的影响，同时将温度对超声波信号的传输以及流体对超声波信号的传输分开进行考量，提高了超声波水表流量计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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。
图1为本发明实施例一种超声波水表计量方法的第一示意图；
图2为本发明实施例一种超声波水表计量方法的第二示意图；
图3为本发明实施例超声波水表计量的原理图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)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。
另外，在本发明中如涉及“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。
并且，本发明各个实施方式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。
参见图1-3，根据本发明的一方面，本发明提供一种超声波水表计量方法，其中，所述超声波水表计量方法包括以下步骤：
S1、换能器发射并接收超声波信号；
S2、根据所述超声波信号，计算超声波信号的声速，并判断所述超声波信号的声速是否合理；
S3、通过超声波信号的声速，计算流体在轴线上的线速度以及雷诺数；
S4、基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度；
S5、根据流体在管段截面上的面速度，计算超声波水表的流量值。
具体地，在本实施例中，所述步骤S1换能器发射并接收超声波信号之后，还包括：根据所述超声波信号的占空比，判断换能器是否发生故障；若所述超声波信号的占空比小于0.5，判定所述换能器发生故障，则进行换能器故障报警，若所述超声波信号的占空比大于或等于0.5，则执行下一步骤。
具体地，在本实施例中，上行换能器发射超声波信号，下行换能器接收超声波信号，所述超声波信号经上行换能器发出至下行换能器接收的上行时间为t1，所述超声波信号经由下行换能器发出至上行换能器接收的下行时间为t2；所述步骤S2根据所述超声波信号，计算所述超声波信号的声速，具体为：获取所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距；根据所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距，计算超声波信号的声速；判断所述超声波信号的声速是否合理；若所述声速位于第一预设区间内，则获取第一预设区间对应的温度值；若所述声速不在第一预设区间内，则进行空管或换能器故障报警。
具体地，在本实施例中，所述上行时间t1为：
其中，C为声速，D为水表管段内径，L为超声波反射片中心距，，Vx为流体在轴线上的线速度；
所述下行时间t2为：
流体在轴线上的线速度Vx小于10m/s，而超声波信号的声速为1500m/s左右，使得在水表中，从而得到：
其中，上行时间t1和下行时间t2为超声波水表中时间计量芯片测得的数据，所述声速为：
其中，C为声速，D为水表管段内径，L为超声波反射片中心距，t1为超声波信号上行时间，t2为超声波信号下行时间；
所述线速度为：
其中，Vx为流体在轴线上的线速度。
具体地，在本实施例中，所述声速与温度一一对应，得到所述声速后即可通过温度补偿数据表得到当前水体温度，所述温度补偿数据表为通过不同温度下的试验标定流量数据建立的温度补偿数据表；所述雷诺数为
其中，Re为雷诺数，ρ为对应温度值下的水的密度，μ为对应温度值下的水的动力粘度；当流体状态进入过度流和湍流状态时，所述雷诺数的值为近似值。
具体地，在本实施例中，所述步骤S4基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度，具体为：
构建流体在轴线上的线速度与流体在管段截面上的面速度的计算模型；具体为：
Vm'＝kiVx+bi
其中，Vm'为流体在管段截面上的面速度，ki，bi为将流体在轴线上的线速度与标准面速度之间拟合得到的参数，i＝1,2,3,4，Vx为流体在轴线上的线速度；
将流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合，得到所述计算模型在不同预制区间的拟合参数；所述预制区间包括第一预制区间、第二预制区间、第三预制区间和第四预制区间；所述计算模型在第一预制区间的拟合参数为k1，b1；所述计算模型在第二预制区间的拟合参数为k2，b2；所述计算模型在第三预制区间的拟合参数为k3，b3；所述计算模型在第四预制区间的拟合参数为k4，b5；
判断所述雷诺数所在的预制区间；所述第一预制区间为Re≤500；所述第二预制区间为500＜Re≤2000；所述第三预制区间为2000＜Re≤4000；所述第四预制区间为Re＞4000；通过对应预制区间的计算模型计算流体在管段截面上的面速度，雷诺数位于不同的预制区间，即对应不同的函数段，采用对应函数段进行计算，即得到流体在管段截面上的面速度，所述标准面速度通过检测台体对标准水表测量得到；采用四段函数建立流体在轴线上的线速度与流体在管段截面上的面速度之间的计算模型；
若Re位于第一预制区间，则Vm'＝k1Vx+b1，其中k1、b1为雷诺数小于或等于500的参数；
若Re位于第二预制区间，则Vm'＝k2Vx+b2，其中k2、b2为雷诺数大于500，且小于或等于2000的参数；
若Re位于第三预制区间，则Vm'＝k3Vx+b3，其中k3、b3为雷诺数大于2000，且小于或等于4000的参数；
若Re位于第四预制区间，则Vm'＝k4Vx+b4，其中k4、b4为雷诺数大于4000的参数。
具体地，在本实施例中，通过查阅当前温度下的温度补偿系数所述流量值为：
其中，Q为超声波水表的流量值，为温度补偿系数，Vm'为流体在管段截面上的面速度，所述流量值为瞬时流量值。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种超声波水表，其中，所述超声波水表包括如上述的一种超声波水表计量方法。
以上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。

Claims (10)

1.一种超声波水表计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、换能器发射并接收超声波信号；
S2、根据所述超声波信号，计算超声波信号的声速，并判断所述超声波信号的声速是否合理；
S3、通过超声波信号的声速，计算流体在轴线上的线速度以及雷诺数；
S4、基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度；
S5、根据流体在管段截面上的面速度，计算超声波水表的流量值。
2.根据权利要求1所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述步骤S1换能器发射并接收超声波信号之后，还包括：
根据所述超声波信号的占空比，判断换能器是否发生故障。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述步骤S2根据所述超声波信号，计算所述超声波信号的声速，具体为：
获取所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距；
根据所述超声波信号的上行时间、下行时间、水表管段内径以及超声波信号反射片中心距，计算超声波信号的声速；
判断所述超声波信号的声速是否合理；
若所述声速位于第一预设区间内，则获取第一预设区间对应的温度值；
若所述声速不在第一预设区间内，则进行换能器故障报警。
4.根据权利要求3所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述声速为：
其中，C为声速，D为水表管段内径，L为超声波反射片中心距，t1为超声波信号上行时间，t2为超声波信号下行时间。
5.根据权利要求4所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述线速度为：
其中，Vx为流体在轴线上的线速度。
6.根据权利要求5所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述雷诺数为
其中，Re为雷诺数，ρ为对应温度值下的水的密度，μ为对应温度值下的水的动力粘度。
7.根据权利要求1-2任意一项所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述步骤S4基于所述雷诺数的大小，以及流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合得到的拟合参数，计算流体在管段截面上的面速度，具体为：
构建流体在轴线上的线速度与流体在管段截面上的面速度的计算模型；
将流体在轴线上的线速度与标准面速度进行拟合，得到所述计算模型在不同预制区间的拟合参数；
判断所述雷诺数所在的预制区间，通过对应预制区间的计算模型计算流体在管段截面上的面速度。
8.根据权利要求7所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述预制区间包括第一预制区间、第二预制区间、第三预制区间和第四预制区间；
所述第一预制区间为Re≤500；
所述第二预制区间为500＜Re≤2000；
所述第三预制区间为2000＜Re≤4000；
所述第四预制区间为Re＞4000。
9.根据权利要求1-2任意一项所述的一种超声波水表计量方法，其特征在于，所述流量值为：
其中，Q为超声波水表的流量值，为温度补偿系数，Vm'为流体在管段截面上的面速度。
10.一种超声波水表，其特征在于，所述超声波水表包括如权利要求1-9任意一项所述的一种超声波水表计量方法。
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