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UTA6905在超声波电子式水表中的应用

上网日期: 2015年06月26日 ?? 作者: 冉建辉 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:UTA6905? 超声波水表? 相差法?

1. 概述

电子式水表,也称智能水表,是指具备预付费功能或远传功能的水表,它是微电子技术、现代传感技术和智能IC卡技术结合的产物,在数据传递及交易结算方面,电子式水表比传统水表在抄表方式和数据统计方面都有很大优势,电子式水表应符合国家GB/T778-2007《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表》和住建部CJ/T224-2012《电子远传水表》的技术要求。所谓超声波电子式水表是指该类电子水表的流量计量采用超声波技术方案,和传统基于叶轮旋转的机械式流量采集方案相比,超声波水表具备机械结构简单,计量过程无压力损耗,流量采集精度受水质影响小,量程宽的优点。对于家用小口径表,目前国外品牌的超声波水表精度和价格都比较高,国内的研发虽然初级阶段,但可以观察到近一两年来主流水表厂商的研发力度不断加大,已经有产品推出市场,随着阶梯水价的实施以及国家对物联网的深入推广,超声波电子式水表将迎来广阔的市场前景。

在现有超声波水表技术方案中,大体包含噪声法、相关法和传播速度差法三种,基于精度、功耗、可实现性方面的考虑,速度差法是目前较为成熟的一种方式,随着微电子技术的不断进步,一系列可用于超声波水表的专用芯片不断推出,例如ACAM公司的GP22,ICCI公司的UTA6903B等。ICCI于2014年推出了一款超声波流量计量芯片UTA6905,具备更高的测量精度和稳定性,本文将详细介绍UTA6905在超声波电子式水表中的应用。

2. 超声波流量测量原理

采用超声波进行流量测量的基本原理是利用超声波在顺逆流流体中的传播时差,推算出流体的速度,再根据面积积分法推算出当前的瞬时流量,对瞬时流量进行积分计算出累积流量,计算过程中还需要考虑温度对声速的影响等。

UTA6905在超声波电子式水表中的应用(电子工程专辑)
图1:超声波流量测量原理

图1所示,管道上安装有一对换能器:顺流换能器和逆流换能器,管道直径为D,超声波声程为L,顺流传播时间为tu,逆流传播时间为td,超声波传播防线与流体方向夹角为θ,根据速度的叠加原理,在水流速度v的作用下,超声波顺流传播时间要比逆流传播时间短,其时间差可以计算出来。

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图1:超声波流量测量原理

公式4得到的速度v是沿声道方向的线平均速度,由于流体的流速沿管道直径的不均匀分布,线平均速度v并不等于实际的流速,需要乘上流速分布修正系数k,才能得到截面的平均流速,再乘以管道的截面积,得到瞬时流量Q。

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图2:超声波在纯水中的传播速度与温度的关系

从公式4看,流体流速v是声速c和传播时差△t的函数,因为超声波在水中的传播速度c是一个随温度变化的值,如图2所示。所以在超声波水表中,除了对顺逆流传播时差△t进行测量,还需要对流体温度进行测量,通过查表得到当前温度下的超声波传播速度c。

在公式5中,流速分布修正系数k代表管道内流体的面平均速度与超声波水表测量到的线平均速的的比值,k的取值与雷诺系数Re有关,但关系复杂,在整个流量范围内呈现明显的非线性特点,主要原因在于随着流速由慢至快,流体会经过层流、过渡流和紊流的不同区域,各个区域呈现不同的流速分布,实际中常采用拟合直线方程的方式[3]对k值进行分段校正,将测量误差降低至标准之内,这个过程一般在产品量产的校表环节进行。

第二页:基于UTA6905的超声波水表流量采集方案


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