户用超声波水表的研究与设计

摘要

随着阶梯水价政策的实施，一个以水表计量性能提升、无线网络接入和融入互联网应用为标志的“互联网+智能水表2.0”时代已经到来。超声波水表无机械运动部件、压力损失小、始动流量低、误差特性曲线可修正，而且可实现数据远传，具备下一代智能水表的基本特征和功能。研究超声波水表，不仅可以推动阶梯水价制度的建立，而且可以实现智能水表的转型升级，对我国水表产业的发展具有重要意义。
　　针对时差法接收到超声波信号的时刻难以精确捕获，小流速的流量计量精度低等问题，本文设计了一种相差法超声波水表，可以实现家庭用水的精确计量。根据超声波在水中的传播速度和温度的对应关系实现水温的检测。然后针对相差法测得的流量值随温度呈非线性变化的问题，提出了基于最小二乘曲面拟合的温度补偿算法。主要研究内容如下：
　　1.在分析和比较几种常用的超声波流量检测方法的基础上，采用相差法检测流量。通过对相位比较结果累加积分，不仅可以实现微小流量的检测，还可以减小干扰信号的影响。针对流速检测过程中采集到的数据波动大的问题，采用限幅滤波、算术平均值滤波和滑动平均值滤波相结合的复合滤波算法来对采集的数据进行处理，改善了流速检测结果的稳定性。
　　2．针对流量值随温度呈非线性变化这一问题，进一步研究对检测流量进行温度补偿的方法。采用检测超声波在水中的传播速度推算出温度、而非常规的温度传感器检测温度的方法。实验表明，温度检测检测误差在±2℃以内，并且降低了仪表的成本。
　　3.提出了基于最小二乘曲面拟合的温度补偿算法，根据温度和流量拟合得到的曲面对流量进行预测和补偿。在实现温度补偿后，针对超声波水表自身计量特性的差异，进一步提出多温度点流量计量误差二次补偿算法，根据相邻温度点的流量计量误差和权值计算当前温度和瞬时流量下的流量计量误差，然后对误差进行补偿，可以实现流量检测的全局优化。实验表明，流量计量误差在±2.0％以内。
　　经过实验验证，本文设计的超声波水表可以实现家庭用水的流量精确检测，达到高精度、低功耗、低成本的目的。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 超声波流量检测方法研究

2.1 超声波流量检测概述

2.2 最小二乘曲面拟合算法原理

2.3 本章小结

第3章 超声波水表硬件电路和软件设计

3.1 超声波水表总体设计

3.2 超声波水表硬件电路设计

3.3 软件设计

3.4 本章小结

第4章 超声波水表的流量计量温度补偿

4.1 实验平台

4.2 温度检测实验

4.3 流量检定实验

4.4 最小二乘曲面模型的建模与仿真

4.5 本章小结

第5章 温度补偿算法的实验验证

5.1 温度补偿算法移植

5.2 一次补偿验证及数据分析

5.3 多温度点误差二次补偿算法

5.4 本章小结

结论

参考文献

附表1 0~51℃水温下超声波的波速

附表2流量检定实验流量计量误差数据

附表3 最小二乘曲面拟合温度补偿仿真实验数据

附表4 最小二乘曲面拟合温度补偿实验验证数据

附表5 查表法温度补偿实验验证数据

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢