基于相位差法的超声波户用水表的开发与设计

摘要

目前，传统的水表流量计基本上釆用机械计量方法，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。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

Contents

1绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 水表的国内外发展现状

1.3 本课题的主要工作

2超声波水表流量检测的关键技术

2.1 超声波流量计的测量原理

2.1.2 基于相位差法的超声波测量原理

2.1.3 相位差法测量的优势

2.2 U型管道的流场分析

2.2.1 流量测量值的流体力学修正

2.2.2 U型管道结构的设计

2.2.3 U型管道的流场分析

2.3 换能器的选择及其应用

2.3.1 换能器选择

2.3.2 换能器余波振动剔除措施

2.4 温度补偿方案

2.5 本章小结

3超声波户用水表的硬件系统设计

3.1 超声波户用水表整体结构方案

3.2 MCU及计量芯片的选取

3.2.1 CPU采用MSP430系列单片机的MSP430F448

3.2.2 UTA6905的应用

3.3 MCU电路以及外围电路设计

3.3.1 双电源供电电路设计

3.3.2 复位电路的设计

3.4 流量温度测量电路设计

3.5 通讯电路设计

3.5.1 红外通讯电路的设计

3.5.2 M-BUS接口电路设计

3.5.3 低频卡操作电路设计

3.6 电机驱动电路的设计

3.6.1 电机电源电路的设计

3.6.2 电机驱动电路的设计

3.7 本章小结

4超声波户用水表的软件系统设计

4.1 软件的开发环境

4.2 软件系统主程序流程图设计

4.3 流量测量子程序设计

4.4 阀门动作程序设计

4.5 卡片处理程序的设计

4.6 改进温度补偿算法及其程序设计

4.6.2 神经网络的创建、训练和测试

4.7 软件可靠性与安全性设计

4.8 本章小结

5超声波户用水表测试

5.1 电磁环境EMC指标测试

5.1.1 脉冲群测试

5.1.2 浪涌抗扰性

5.1.3 静电放电测试

5.1.4 电磁敏感性

5.2 超声波水表的可靠性测试

5.2.1 正常工作模式误差

5.2.2 高低温误差

5.2.3 流量误差重复性准确度

5.2.4 流量误差隔天准确度

5.2.5 连续流量准确度

5.2.6 连续开关阀流量准确度

5.3 水表的功耗测试

5.3.1 通讯状态下功耗

5.3.2 阀门动作状态下功耗

5.3.3 刷卡功耗

5.4 本章小结

6总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致 谢

攻读硕士期间主要成果