資源稀缺推動(dòng)水計(jì)量發(fā)展 超聲波水表順勢(shì)而生

    在淡水資源日益緊缺的危機(jī)當(dāng)下，城市人口，尤其是發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)城市人口對(duì)飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的提升，將會(huì)逐步推動(dòng)水價(jià)的持續(xù)上漲，目前我國(guó)正在推行的階梯水價(jià)是為明證。資源緊缺與水價(jià)上漲，很大程度上將會(huì)推動(dòng)水計(jì)量產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展，可能的影響包括以下：
　　計(jì)量性能：
　　滴漏檢測(cè)，需要更低的始動(dòng)流量；
　　低區(qū)精度，從目前的±5%到更高；
　　精度穩(wěn)定性，在比6年周檢更長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持精度滿足規(guī)范要求。
　　智能特性：
　　階梯，甚至是分時(shí)水價(jià)；
　　控制功能，如閥控等；
　　準(zhǔn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。
　　其它：
　　降低管網(wǎng)壓損。
　　基于上述判斷，德國(guó)acam-mess electronic公司(現(xiàn)為ams公司旗下Specialty Sensor部門)于2015年年初推出了第三代基于其專利的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)的超聲波水表單芯片計(jì)量前端GP30-F01，其核心部分包含一個(gè)經(jīng)過多次優(yōu)化、提升的TDC模塊，一個(gè)專為超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)的32位微處理器，以及一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)管理單元。
　　用戶首先需要一款設(shè)計(jì)合理、加工精度符合正態(tài)分布的管段，同時(shí)需要一對(duì)各項(xiàng)性能包括中心頻率、溫度特性等符合要求的超聲波換能器?；诖?，可以按照GP30-F01的參考設(shè)計(jì)快速完成一款超聲波水表的硬件部分。
　　在GP30-F01的PC端開發(fā)環(huán)境中，用戶可以通過圖形化界面對(duì)管段的縮徑、聲程的長(zhǎng)度等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)還可以對(duì)stophit次數(shù)等測(cè)量參數(shù)進(jìn)行配置。GP30-F01內(nèi)置的固件部分在接收初始化配置之后，即可輸出diff_ToF(上、下行飛行時(shí)間差、sum_ToF(上、下行飛行時(shí)間和)、溫度以及流量信息。
　　必須注意的兩點(diǎn)是：
　　· 所有輸出的參數(shù)都是未經(jīng)校準(zhǔn)的；
　　· 只有0°C至50°C之間的溫度，才能通過GP30-F01的內(nèi)部固件進(jìn)行反算。
　　建議GP30-F01的用戶在原有的水表流量試驗(yàn)系統(tǒng)中增加溫度調(diào)節(jié)功能，比如通過3個(gè)恒溫水罐(5°C、25°C、50°C)混水來快速有效的調(diào)節(jié)水溫，以滿足GP30-F01的“特征化”要求。
　　所謂“特征化”，我們可以簡(jiǎn)化理解如下：即從一個(gè)大批量的超聲波水表基表中，隨機(jī)抽取10至20只作為樣本，通過對(duì)小批量樣本的流量與溫度特性進(jìn)行校準(zhǔn)和提取，最終將一個(gè)基于高階多項(xiàng)式函數(shù)的校準(zhǔn)參數(shù)表，用于整個(gè)同一批次所有基表的獨(dú)立校準(zhǔn)。
　　為了提升特征化效率，用戶可以通過一套PicoProg編程器片選連接若干GP30-DEV-KIT的測(cè)試板卡(比如10只)，切換采集多只抽樣基表的測(cè)量結(jié)果。
　　由于超聲波水表相對(duì)于機(jī)械水表在低區(qū)(低流速區(qū)，相對(duì)于高流速區(qū)即高區(qū)。一般為10%的常用流量Q3，假定Q3為2500l/h，則低區(qū)為250l/h至最小流量Q1之間的區(qū)間)具有更為明顯的非線性特性，因而通過“特征化”進(jìn)行非線性校準(zhǔn)與分段線性化，甚至可以將低區(qū)精度提高到1級(jí)表的±2%或者更高。
　　特征化過程中，用戶首先需要在兩個(gè)精準(zhǔn)的溫度點(diǎn)下(比如5°C和50°C)進(jìn)行10個(gè)流量點(diǎn)的測(cè)量(建議在低區(qū)選擇更多的流量點(diǎn))。請(qǐng)注意這兩個(gè)溫度點(diǎn)以及在該溫度點(diǎn)下測(cè)得的數(shù)據(jù)非常重要，直接影響到聲速反算溫度算法的精度。
　　在這兩個(gè)溫度點(diǎn)之間的測(cè)量并不需要知道確切的溫度值，用戶需要選擇在區(qū)間中的另外3個(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行與此前相同的流量點(diǎn)測(cè)量。
　　綜合上述抽樣基表在5個(gè)溫度和10個(gè)流量點(diǎn)下測(cè)得的流量、diff_ToF、sum_ToF，以及反算出的溫度，GP30-F01開發(fā)環(huán)境中的LabView工具將會(huì)自動(dòng)計(jì)算出完整的校準(zhǔn)特征化參數(shù)，以用于整個(gè)同一批次所有產(chǎn)品的獨(dú)立校準(zhǔn)。

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　　機(jī)械廠對(duì)全公司工藝閥門進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)高效利用、資源共享。