基于GP30-F01的超聲波水表首波電平選擇的幅值分析

如今如何節約水資源的問題越來越受到人們的關注，水表行業也正在經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中討論的焦點。傳統的機械水表的精確程度遠不及超聲波水表，正在逐步被超聲波水表取代。弊公司用于超聲波水表的計量芯片如GP22，GP30，也正處于更新迭代的發展中，性能也在跳躍式的優化中，越來越接近于真實的水流環境，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鍵。今天我想談談我們是如何去判斷一個管段+換能器是否具有良好的性能。

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，導致原本設定好的FHL可能不再適用于當前狀態，而發生周期跳變。因此在設計水表之前，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的基礎上去分析管段和換能器發出的超聲波的幅值。

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，那么就越不容易發生周期跳變的可能。我們從供應商那里取得4種換能器#1，#2，#3，#4。在全溫度范圍（5°C~60°C）進行連續的幅值采集，得到的數據圖如下：

我們可以很容易發現，這4種換能器代表了四類典型的換能器。在全溫度范圍內，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小；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，易于發生周期跳變，而且相鄰的波峰幅值差也很小；3#換能器前4個波峰幅值基本維持穩定，并且相鄰波峰幅值差也比較大，是適合進行FHL 設置的；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，然后從我們設定的最小首波電壓FHLmin開始，按照設定的步長FHLstep遞增至最大首波電壓FHLmax，記錄下相關數據；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FHL的遞增循環，記錄下相關數據，直到覆蓋全流量范圍；隨后增大溫度，重復上述測試，直到涵蓋了全溫度范圍（5°C~60°C），我們通過Excel表格對這些數據進行分析。

需要設定的參數如下：

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%

我們需要采集的數據

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，得到大量數據。

我們在全流量，全溫度范圍下，幾個參數橫向的對比如下：

DIFFTOF-FHL

A

B

C

D

AM-FHL

A

B

C

D

PWR-FHL

A

B

C

D

TOF1-FHL

A

B

C

D

DIFFTOF：相比較四個管段，A管段的表現最佳，在三個比較寬的范圍內都沒有發生周期性跳變，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，幾個周期跳變都是發生在波峰處，跳變后峰值也發生了變化，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，說明數據的離散型不如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DIFFTOF得到的FHL來看PW只能設置在0.4到0.6之間。

TOF1：A很明顯當首波發生跳變的時候，TOF1的值發生階躍性跳變。B管段在穩定的DIFFTOF的區間，TOF1也能保持穩定，D管段離散性較B管段而言比較大，而C管段基本呈現一條緩緩向上的直線，重疊部分較多，只在DIFFTOF穩定的那段區間TOF1保持穩定。

因此，類似上述四種管段，A，B管段可使用的區間較多，優先使用，D管段選擇使用，C管段建議不要使用。

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

參考文獻：

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

數據手冊DB_GP30_Vol1.pdf