技术派丨基于GP30-F01的超声波水表首波电平选择的幅值分析

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节约水资源越来越受到人们的关注,而水表行业也正在经历着如何进行阶梯水价收费的改革浪潮。精确计量成为行业焦点,传统的机械水表正在逐步被更智能的超声波水表取代。

艾迈斯半导体用于超声波水表的计量芯片如GP22、GP30,针对真实应用环境不停更新迭代、性能优化,越来越接近于真实的水流环境。与之相应地,在电子部分的优化之外,如何正确选择好的管段+换能器,成了水表好用与否的关键。

对于使用过GP22的用户来说,首波检测是一个并不陌生的概念,它可以判断出接收波形,精确的定义首波的位置,一旦首波确定,在此基础上进行时间信号采集。但是信号的幅值会随着温度和流量的改变而改变,导致原本设定好的FHL可能不再适用于当前状态,而发生周期跳变。

因此在设计水表之前,我们需要先对换能器和管段进行分析,研究在各个状态下FHL的值是否还适用,还是真的需要修正,或者有没有一个FHL的值可以覆盖全温度全流量范围而不需要调整,这就需要我们对使用的管段和换能器了如指掌。今天我想讨论一下如何在基于GP30-F01的基础上去分析管段和换能器发出的超声波的幅值。

首先,我们进行全温度范围下接收波形的前4个波的峰值检测。因为首波检测基于的一个条件就是相邻的波峰之间如果幅值差越大,那么就越不容易发生周期跳变的可能。4种换能器#1,#2,#3,#4,在全温度范围(5°C~60°C)进行连续的幅值采集,得到的数据图如下:

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很容易发现,这4种换能器代表了四类典型的换能器。在全温度范围内:

· 1#换能器前4个波峰幅值变化不大,但是相邻波峰的幅值差很小;

· 2#换能器前4个波峰幅值变化随温度升高而变大,高温下的第三波甚至超过了低温下的第四波,易于发生周期跳变,而且相邻的波峰幅值差也很小;

· 3#换能器前4个波峰幅值基本维持稳定,并且相邻波峰幅值差也比较大,是适合进行FHL 设置的;

· 4#换能器刚好和2#相反,波峰的幅值随温度的升高而减小,高温下的第四波甚至低过了低温下的第三波,也会发生周期跳变。

接下来,我们会加入流量元素,使实验更加接近真实情况。测试方法是首先在室温下,提供一个小流量,然后从设定的最小首波电压FHLmin开始,按照设定的步长FHLstep递增至最大首波电压FHLmax,记录下相关数据;然后在不改变温度的情况下也按照一定步长(或者比例)增大流量,重复FHL的递增循环,记录下相关数据,直到覆盖全流量范围;随后增大温度,重复上述测试,直到涵盖了全温度范围(5°C~60°C),我们通过Excel表格对这些数据进行分析。

需要设定的参数:

1. 首波电压FHL

e.g. FHLmin >=5

e.g. FHLmax = 200

e.g. FHLstep = 5

2. 流量控制比例,例如25%

需要采集的数据:

1.FHL 上游/下游                      GP30测量得到的首波电压

2.TOF1 上游/下游                    GP30测量得到的第一个飞行时间的值

3.PWR 上游/下游                     GP30测量得到的脉宽比

4.AM 上游/下游                       GP30 测量得到的接收幅值

5.DIFFTOF                               GP30套件计算得到的时间差

6.SUMTOF                              GP30套件计算得到的时间和

7.Temp [°C]                            外部传感器测量得到的温度值

8.Flow [l/h]                             外部传感器测量得到的流量

9.Flow Average [l/h]               外部传感器测量得到的平均流量

在前期工作准备完毕后,我们可以编写程序,然后对每一支管段进行测试。我们对这4支管段使用下图装置与软件进行测试,得到大量数据。

1.首先我们在某个温度(24°C~25°C),全流量范围下,几个参数的对比。

A管段:可以看出在该温度,全流量下,测量结果保持稳定状态,时间差在几个波峰处会有周期跳变,属正常现象。

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B管段:可以看出在该温度全流量下,测量结果保持稳定状态,时间差在几个波峰处会有周期跳变,属正常现象。随着FHL递增,AM 数量也较A管段多,因此可以看出B管段的波峰数量多于A 管段。

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C管段:只截取到DIFFTOF和PWR的图像。很明显周期跳跃比较多,而且两个换能器的接收波形的PW不重合,说明同一个收发周期中的接收信号不同,说明这一对换能器不匹配。

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D管段:可以看出在该温度,全流量下,测量结果还行,但是从PW-FHL图上可以看出一个FHL可能对应了两个PWR的值,说明在全流量下超声波信号不是很稳定,会随着流量变化而变化;另外,从AM-FHL图像上可以看出同一个FHL 对应两个不同的TOF1的值,更加说明超声波信号受流速影响比较大。

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2.我们在某个流量区间(400~500l/h),全温度范围下,几个参数的对比。

A管段:从图上可以看出,在该流量范围内,全温度下,DIFFTOF受温度影响比较小,测量结果保持稳定状态,时间差在几个波峰处会有周期跳变,属正常现象。另外,PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移。

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B 管段:从图上可以看出,在该流量范围内,全温度下,DIFFTOF受温度影响,测量结果保持稳定状态,时间差在几个波峰处会有周期跳变,属正常现象。另外,PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移。但整体来说,数据的离散性比较大。

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C管段:从如下的DIFFTOF的图像,可以看出,时间差受温度影响很大,只有很小的一个范围在我们设置的条件下DIFFTOF基本没有跳变。在这个FHL范围下,PWR的值受限于0.4~0.6之间;从AM图中,看出部分地方蓝色和橙色没有重合,表示在这个FHL下,两边的换能器接收到的信号幅值不一致;从PW上看出线条比较粗,要么波峰的数量比较多,要么接收信号受温度影响很大,要么二者兼项,我跟个人偏向于后者;从TOF1的图像看出台阶比较多,因此波峰数量比较多。

 

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D管段:从图上可以看出,在该流量范围内,全温度下,DIFFTOF受温度影响比较小,测量结果保持稳定状态,时间差在几个波峰处会有周期跳变,属正常现象。另外,PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移,但是数据的离散程度较大。

 

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3.我们在全流量,全温度范围下,几个参数横向的对比。

DIFFTOF-FHL:相比较四个管段,A管段的表现最佳,在三个比较宽的范围内都没有发生周期性跳变,B管段其次,D管段第三,C管段最差,可用的FHL最窄。

 

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AM-FHL:相比较四个管段,A管段可以看做有四个波峰值,彼此独立,很好的印证了DIFFTOF的表现,几个周期跳变都是发生在波峰处,跳变后峰值也发生了变化,受温度和流量影响使得每一段都变粗。B管段其次,D管段第三,C管段最差,可以看做幅值随FHL递增而增加,受温度和流量影响较大。

 

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PWR-FHL:相比较四个管段,A管段较为明显的分成了四个部分,其实是首波分别在四个不同的波峰的时候的半波长比。B管段图像较粗,说明数据的离散型不如A好,D的离散型更加差一些,说明受温度和流量影响更加大。C几乎没有可用的地方,根据DIFFTOF得到的FHL来看PW只能设置在0.4到0.6之间。

 

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TOF1-FHL:A很明显当首波发生跳变的时候,TOF1的值发生阶跃性跳变。B管段在稳定的DIFFTOF的区间,TOF1也能保持稳定,D管段离散性较B管段而言比较大,而C管段基本呈现一条缓缓向上的直线,重叠部分较多,只在DIFFTOF稳定的那段区间TOF1保持稳定。

 

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因此,类似上述四种管段,A,B管段可使用的区间较多,优先使用,D管段选择使用,C管段建议不要使用。