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基于GP30-F01的超聲波水表首波電平選擇的幅值分析

發(fā)布時(shí)間:2019-12-25 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】節(jié)約水資源越來越受到人們的關(guān)注,而水表行業(yè)也正在經(jīng)歷著如何進(jìn)行階梯水價(jià)收費(fèi)的改革浪潮。精確計(jì)量成為行業(yè)焦點(diǎn),傳統(tǒng)的機(jī)械水表正在逐步被更智能的超聲波水表取代。
 
艾邁斯半導(dǎo)體用于超聲波水表的計(jì)量芯片如GP22、GP30,針對真實(shí)應(yīng)用環(huán)境不停更新迭代、性能優(yōu)化,越來越接近于真實(shí)的水流環(huán)境。與之相應(yīng)地,在電子部分的優(yōu)化之外,如何正確選擇好的管段+換能器,成了水表好用與否的關(guān)鍵。
對于使用過GP22的用戶來說,首波檢測是一個(gè)并不陌生的概念,它可以判斷出接收波形,精確的定義首波的位置,一旦首波確定,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)間信號采集。但是信號的幅值會(huì)隨著溫度和流量的改變而改變,導(dǎo)致原本設(shè)定好的FHL可能不再適用于當(dāng)前狀態(tài),而發(fā)生周期跳變。
 
因此在設(shè)計(jì)水表之前,我們需要先對換能器和管段進(jìn)行分析,研究在各個(gè)狀態(tài)下FHL的值是否還適用,還是真的需要修正,或者有沒有一個(gè)FHL的值可以覆蓋全溫度全流量范圍而不需要調(diào)整,這就需要我們對使用的管段和換能器了如指掌。今天我想討論一下如何在基于GP30-F01的基礎(chǔ)上去分析管段和換能器發(fā)出的超聲波的幅值。
 
首先,我們進(jìn)行全溫度范圍下接收波形的前4個(gè)波的峰值檢測。因?yàn)槭撞z測基于的一個(gè)條件就是相鄰的波峰之間如果幅值差越大,那么就越不容易發(fā)生周期跳變的可能。4種換能器#1,#2,#3,#4,在全溫度范圍(5°C~60°C)進(jìn)行連續(xù)的幅值采集,得到的數(shù)據(jù)圖如下:
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
很容易發(fā)現(xiàn),這4種換能器代表了四類典型的換能器。在全溫度范圍內(nèi):
 
1#換能器前4個(gè)波峰幅值變化不大,但是相鄰波峰的幅值差很??;
2#換能器前4個(gè)波峰幅值變化隨溫度升高而變大,高溫下的第三波甚至超過了低溫下的第四波,易于發(fā)生周期跳變,而且相鄰的波峰幅值差也很??;
3#換能器前4個(gè)波峰幅值基本維持穩(wěn)定,并且相鄰波峰幅值差也比較大,是適合進(jìn)行FHL 設(shè)置的;
4#換能器剛好和2#相反,波峰的幅值隨溫度的升高而減小,高溫下的第四波甚至低過了低溫下的第三波,也會(huì)發(fā)生周期跳變。
 
接下來,我們會(huì)加入流量元素,使實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)情況。測試方法是首先在室溫下,提供一個(gè)小流量,然后從設(shè)定的最小首波電壓FHLmin開始,按照設(shè)定的步長FHLstep遞增至最大首波電壓FHLmax,記錄下相關(guān)數(shù)據(jù);然后在不改變溫度的情況下也按照一定步長(或者比例)增大流量,重復(fù)FHL的遞增循環(huán),記錄下相關(guān)數(shù)據(jù),直到覆蓋全流量范圍;隨后增大溫度,重復(fù)上述測試,直到涵蓋了全溫度范圍(5°C~60°C),我們通過Excel表格對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
 
需要設(shè)定的參數(shù):
 
1. 首波電壓FHL
 
e.g. FHLmin >=5
e.g. FHLmax = 200
e.g. FHLstep = 5
 
2. 流量控制比例,例如25%
 
需要采集的數(shù)據(jù):
 
1. FHL 上游/下游                      GP30測量得到的首波電壓
2. TOF1 上游/下游                    GP30測量得到的第一個(gè)飛行時(shí)間的值
3. PWR 上游/下游                     GP30測量得到的脈寬比
4. AM 上游/下游                       GP30 測量得到的接收幅值
5. DIFFTOF                               GP30套件計(jì)算得到的時(shí)間差
6. SUMTOF                              GP30套件計(jì)算得到的時(shí)間和
7. Temp [°C]                            外部傳感器測量得到的溫度值
8. Flow [l/h]                             外部傳感器測量得到的流量
9. Flow Average [l/h]               外部傳感器測量得到的平均流量
 
在前期工作準(zhǔn)備完畢后,我們可以編寫程序,然后對每一支管段進(jìn)行測試。我們對這4支管段使用下圖裝置與軟件進(jìn)行測試,得到大量數(shù)據(jù)。
 
1.首先我們在某個(gè)溫度(24°C~25°C),全流量范圍下,幾個(gè)參數(shù)的對比。
 
A管段:可以看出在該溫度,全流量下,測量結(jié)果保持穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì)有周期跳變,屬正常現(xiàn)象。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
B管段:可以看出在該溫度全流量下,測量結(jié)果保持穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì)有周期跳變,屬正?,F(xiàn)象。隨著FHL遞增,AM 數(shù)量也較A管段多,因此可以看出B管段的波峰數(shù)量多于A 管段。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
C管段:只截取到DIFFTOF和PWR的圖像。很明顯周期跳躍比較多,而且兩個(gè)換能器的接收波形的PW不重合,說明同一個(gè)收發(fā)周期中的接收信號不同,說明這一對換能器不匹配。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
D管段:可以看出在該溫度,全流量下,測量結(jié)果還行,但是從PW-FHL圖上可以看出一個(gè)FHL可能對應(yīng)了兩個(gè)PWR的值,說明在全流量下超聲波信號不是很穩(wěn)定,會(huì)隨著流量變化而變化;另外,從AM-FHL圖像上可以看出同一個(gè)FHL 對應(yīng)兩個(gè)不同的TOF1的值,更加說明超聲波信號受流速影響比較大。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
2.我們在某個(gè)流量區(qū)間(400~500l/h),全溫度范圍下,幾個(gè)參數(shù)的對比。
 
A管段:從圖上可以看出,在該流量范圍內(nèi),全溫度下,DIFFTOF受溫度影響比較小,測量結(jié)果保持穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì)有周期跳變,屬正?,F(xiàn)象。另外,PW值會(huì)受溫度影響在某個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生偏移。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
B 管段:從圖上可以看出,在該流量范圍內(nèi),全溫度下,DIFFTOF受溫度影響,測量結(jié)果保持穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì)有周期跳變,屬正常現(xiàn)象。另外,PW值會(huì)受溫度影響在某個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生偏移。但整體來說,數(shù)據(jù)的離散性比較大。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
C管段:從如下的DIFFTOF的圖像,可以看出,時(shí)間差受溫度影響很大,只有很小的一個(gè)范圍在我們設(shè)置的條件下DIFFTOF基本沒有跳變。在這個(gè)FHL范圍下,PWR的值受限于0.4~0.6之間;從AM圖中,看出部分地方藍(lán)色和橙色沒有重合,表示在這個(gè)FHL下,兩邊的換能器接收到的信號幅值不一致;從PW上看出線條比較粗,要么波峰的數(shù)量比較多,要么接收信號受溫度影響很大,要么二者兼項(xiàng),我跟個(gè)人偏向于后者;從TOF1的圖像看出臺階比較多,因此波峰數(shù)量比較多。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
D管段:從圖上可以看出,在該流量范圍內(nèi),全溫度下,DIFFTOF受溫度影響比較小,測量結(jié)果保持穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì)有周期跳變,屬正?,F(xiàn)象。另外,PW值會(huì)受溫度影響在某個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生偏移,但是數(shù)據(jù)的離散程度較大。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
3.我們在全流量,全溫度范圍下,幾個(gè)參數(shù)橫向的對比。
 
DIFFTOF-FHL:相比較四個(gè)管段,A管段的表現(xiàn)最佳,在三個(gè)比較寬的范圍內(nèi)都沒有發(fā)生周期性跳變,B管段其次,D管段第三,C管段最差,可用的FHL最窄。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
AM-FHL:相比較四個(gè)管段,A管段可以看做有四個(gè)波峰值,彼此獨(dú)立,很好的印證了DIFFTOF的表現(xiàn),幾個(gè)周期跳變都是發(fā)生在波峰處,跳變后峰值也發(fā)生了變化,受溫度和流量影響使得每一段都變粗。B管段其次,D管段第三,C管段最差,可以看做幅值隨FHL遞增而增加,受溫度和流量影響較大。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
PWR-FHL:相比較四個(gè)管段,A管段較為明顯的分成了四個(gè)部分,其實(shí)是首波分別在四個(gè)不同的波峰的時(shí)候的半波長比。B管段圖像較粗,說明數(shù)據(jù)的離散型不如A好,D的離散型更加差一些,說明受溫度和流量影響更加大。C幾乎沒有可用的地方,根據(jù)DIFFTOF得到的FHL來看PW只能設(shè)置在0.4到0.6之間。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
TOF1-FHL:A很明顯當(dāng)首波發(fā)生跳變的時(shí)候,TOF1的值發(fā)生階躍性跳變。B管段在穩(wěn)定的DIFFTOF的區(qū)間,TOF1也能保持穩(wěn)定,D管段離散性較B管段而言比較大,而C管段基本呈現(xiàn)一條緩緩向上的直線,重疊部分較多,只在DIFFTOF穩(wěn)定的那段區(qū)間TOF1保持穩(wěn)定。
 
http://m.1151434.com/art/artinfo/id/80037381
 
因此,類似上述四種管段,A,B管段可使用的區(qū)間較多,優(yōu)先使用,D管段選擇使用,C管段建議不要使用。
 
 
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