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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

          作者:艾邁斯半導(dǎo)體 左曉偉 黃孫峰 時間:2019-07-01 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          如今如何節(jié)約水資源的問題越來越受到人們的關(guān)注,水表行業(yè)也正在經(jīng)歷著如何進行階梯水價收費的改革浪潮,因此如何精確計量是水行業(yè)中討論的焦點。傳統(tǒng)的機械水表的精確程度遠不及,正在逐步被取代。弊公司用于的計量芯片如GP22,GP30,也正處于更新迭代的發(fā)展中,性能也在跳躍式的優(yōu)化中,越來越接近于真實的水流環(huán)境,GP30的流量算法更是可以對氣泡空管段等進行處理。但是,電子部分的優(yōu)化只是水表的一個方面,另一個方面就是管段+換能器的選擇,如何正確的選擇一個好的管段+換能器將成為水表成敗的關(guān)鍵。今天我想談?wù)勎覀兪侨绾稳ヅ袛嘁粋€管段+換能器是否具有良好的性能。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201907/402130.htm

          對于使用過GP22的用戶來說,首波檢測是一個并不陌生的概念,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)上進行時間信號采集。但是信號的幅值會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)計水表之前,我們需要先對換能器和管段進行分析,研究在各個狀態(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,我們進行全溫度范圍下接收波形的前4個波的峰值檢測。因為首波檢測基于的一個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。我們從供應(yīng)商那里取得4種換能器#1,#2,#3,#4。在全溫度范圍(5°C~60°C)進行連續(xù)的幅值采集,得到的數(shù)據(jù)圖如下:

          1562044332806963.bmp

          我們可以很容易發(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,也會發(fā)生周期跳變。

          接下來,我們會加入流量元素,使實驗更加接近真實情況。我們測試的方法是首先在室溫下,提供一個小流量,然后從我們設(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)進行分析。

          需要設(shè)定的參數(shù)如下:

          1.首波電壓FHL

          1)e.g. FHLmin >=5

          2)e.g. FHLmax = 200

          3)e.g. FHLstep = 5

          2.流量控制比例,例如25%

          我們需要采集的數(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測量得到的第一個飛行時間的值

          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套件計算得到的時間差

          6.SUMTOF                        GP30套件計算得到的時間和

          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行測試。我們對這4支管段使用裝置與軟件進行測試,得到大量數(shù)據(jù)。

          我們在全流量,全溫度范圍下,幾個參數(shù)橫向的對比如下:

          DIFFTOF-FHL

          A_DIFFTOF.bmp

          A

          B_DIFFTOF.bmp

          B

          C_DIFFTOF.bmp

          C

          D_DIFFTOF.bmp

          D

          AM-FHL

          A_AM.bmp

          A

          B_400LPH_AM.bmp

          B

          C_AM.bmp

          C

          D_AM.bmp

          D

          PWR-FHL

          A_PWR.bmp

          A

          B_PWR.bmp

          B

          C_PW.bmp

          C

          D_PWR.bmp

          D

          TOF1-FHL

          A_TOF1.bmp

          A

          B_TOF1.bmp

          B

          C_TOF1.bmp

          C

          D_TOF1.bmp

          D

          DIFFTOF:相比較四個管段,A管段的表現(xiàn)最佳,在三個比較寬的范圍內(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。

          AM:相比較四個管段,A管段可以看做有四個波峰值,彼此獨立,很好的印證了DIFFTOF的表現(xiàn),幾個周期跳變都是發(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。

          PWR:相比較四個管段,A管段較為明顯的分成了四個部分,其實是首波分別在四個不同的波峰的時候的半波長比。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。

          TOF1:A很明顯當(dāng)首波發(fā)生跳變的時候,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。

          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。

          (注:因為篇幅有限 ,有關(guān)在某個溫度(24°C~25°C)及全流量范圍下幾個參數(shù)的對比分析,以及在某個流量區(qū)間(400~500l/h)及全溫度范圍下幾個參數(shù)的對比分析內(nèi)容,未能納入文中,如欲了解完整內(nèi)容,請登錄《電子產(chǎn)品世界》網(wǎng)站查詢。)

          參考文獻:

          GP30 Application note FHL Determination and Regulation over Flow and Temperature Variations

          數(shù)據(jù)手冊DB_GP30_Vol1.pdf



          關(guān)鍵詞: 201907 GP30-F01 超聲波水表

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