基于相位差法的超声波户用水表的开发与设计

发布时间：2020-06-01 15:28

【摘要】：目前,传统的水表流量计基本上采用机械计量方法,存在始动流量偏高、测量精度较低、压力损耗大等问题。伴随着新型测量传感技术的进步,超声波测量技术得到不断的改进与应用。相较于机械式水表,超声波流量计在水表计量领域具有准确度高、测量范围广、压力损失小、输出通讯功能齐全等优点。本论文把超声波测量技术应用于小口径户用水表的流量测量,重点解决超声波水表在低流量区测量精度低和可靠性差等问题。其中,针对超声波水表的小流量精确度低的问题采取了以下两种措施:1、对水表的管道流场进行流场分析,设计了U型管道结构,并采用塑料管变径设计,选择性能较好的超声波换能器,从硬件结构上有效地保证了测量精度;2、针对受温度影响而存在的非线性问题,电路增加了热敏电阻温度传感器,对水温进行实时采集,利用改进的BP神经网络补偿算法,根据温度与流量之间的非线性映射关系,在软件程序中对不同温度下水的流速误差进行修正,从而有效地提高小流量流速测量的可靠性。此外,在硬件电子电路中采用微功耗MSP430控制芯片,以及基于相差法的流体流量计量专用芯片UTA6905,获得更加精确地时间差值,保证了流量测的精确度。同时,该户用水表采用射频卡技术,实现了刷卡收费与预付费功能,根据不同用水量设定不同价格,使其更适于阶梯水价的用水计量以及水资源的节约和合理利用。最后,制作水表样机,对水表做了严格的功能测试、流量精度测试以及可靠性测试,并对实验结果进行分析。结果表明通过系统测试验证了该超声波户用水表具有小流量精度高、产品可靠强、低功耗、实时性好等优点,满足最初设计构想和总体设计要求,达到了提高国内超声波流量计准确度等级、稳定性等性能的目的,对我国智能水表产业的发展具有一定的借鉴价值。
【图文】：

原理图,相位差,换能器,超声波

相位差测量过程中，有效抑制测量误差，对相邻的多个相位差脉宽进行累加积逡逑分进而转化为高精度时差。进一步可以把相位差Ａｐ转换成时间差其基本逡逑测量原理如下图２．１所示。其中，超声波相位差为：逡逑￣Ｕ２逦（２．１）逡逑式中为顺流接收回波与参考波形间的相位差，灼为逆流接收回波与参考波形逡逑间的相位差，Ａｐ为超声波相位差。逡逑参考信号｜逦Ｉ邋ｎ￣逦Ｉ逦１邋ｒ逡逑顺流逦１逦１逦｜逦１逦１逦｜逡逑逆流逦Ｉ逡逑顺流相差—＜ｐｉ—＾逡逑逆流相差逦｜逦｜Ｈｐ２－＝逡逑顺逆相差逦Ｊ￣■不午逦｜￣｜逦Ｉ逡逑图２．１超声波相位差法原理图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑本设计的超声波户用水表为获得较长的超声波传输距离，在结构上提高测逡逑量精度，因而在管段上采用Ｕ型反射式结构。将进水端换能器Ａ安装设置在管逡逑道进水端安装孔内，回水端换能器Ｂ安装设置在管道回水端安装孔内，安装完逡逑成后，两换能器分别与对应的反射片中心对齐，水表管段内部采用塑料管变径逡逑的管腔，后端安装有球型阀。其详细结构如图２．２所示。逡逑换能器Ａ逦换能器Ｂ逡逑／ｉ＼邋＼邋ｎ逦ｎ

原理图,相位差法,超声波,原理图

相位差测量过程中，有效抑制测量误差，对相邻的多个相位差脉宽进行累加积逡逑分进而转化为高精度时差。进一步可以把相位差Ａｐ转换成时间差其基本逡逑测量原理如下图２．１所示。其中，超声波相位差为：逡逑￣Ｕ２逦（２．１）逡逑式中为顺流接收回波与参考波形间的相位差，灼为逆流接收回波与参考波形逡逑间的相位差，Ａｐ为超声波相位差。逡逑参考信号｜逦Ｉ邋ｎ￣逦Ｉ逦１邋ｒ逡逑顺流逦１逦１逦｜逦１逦１逦｜逡逑逆流逦Ｉ逡逑顺流相差—＜ｐｉ—＾逡逑逆流相差逦｜逦｜Ｈｐ２－＝逡逑顺逆相差逦Ｊ￣■不午逦｜￣｜逦Ｉ逡逑图２．１超声波相位差法原理图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑本设计的超声波户用水表为获得较长的超声波传输距离，在结构上提高测逡逑量精度，因而在管段上采用Ｕ型反射式结构。将进水端换能器Ａ安装设置在管逡逑道进水端安装孔内，回水端换能器Ｂ安装设置在管道回水端安装孔内，安装完逡逑成后，两换能器分别与对应的反射片中心对齐，，水表管段内部采用塑料管变径逡逑的管腔，后端安装有球型阀。其详细结构如图２．２所示。逡逑换能器Ａ逦换能器Ｂ逡逑／ｉ＼邋＼邋ｎ逦ｎ
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU821.2;O426.9

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