艾邁斯半導體用于超聲波水表的計量芯片如GP22、GP30，針對真實(shí)應用環(huán)境不停更新迭代、性能優(yōu)化，越來(lái)越接近于真實(shí)的水流環(huán)境。與之相應地，在電子部分的優(yōu)化之外，如何正確選擇好的管段+換能器，成了水表好用與否的關(guān)鍵。

對于使用過(guò)GP22的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，首波檢測是一個(gè)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(jìn)行時(shí)間信號采集。但是信號的幅值會(huì )隨著(zhù)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(tài)，而發(fā)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(jìn)行分析，研究在各個(gè)狀態(tài)下FHL的值是否還適用，還是真的需要修正，或者有沒(méi)有一個(gè)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(fā)出的超聲波的幅值。

 

首先，我們進(jìn)行全溫度范圍下接收波形的前4個(gè)波的峰值檢測。因為首波檢測基于的一個(gè)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。4種換能器#1，#2，#3，#4，在全溫度范圍（5°C~60°C）進(jìn)行連續的幅值采集，得到的數據圖如下：

 

 

很容易發(fā)現，這4種換能器代表了四類(lèi)典型的換能器。在全溫度范圍內：

 

1#換能器前4個(gè)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(gè)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(guò)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(gè)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(jìn)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(guò)了低溫下的第三波，也會(huì )發(fā)生周期跳變。

 

接下來(lái)，我們會(huì )加入流量元素，使實(shí)驗更加接近真實(shí)情況。測試方法是首先在室溫下，提供一個(gè)小流量，然后從設定的最小首波電壓FHLmin開(kāi)始，按照設定的步長(cháng)FHLstep遞增至最大首波電壓FHLmax，記錄下相關(guān)數據；然后在不改變溫度的情況下也按照一定步長(cháng)（或者比例）增大流量，重復FHL的遞增循環(huán)，記錄下相關(guān)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(guò)Excel表格對這些數據進(jìn)行分析。

 

需要設定的參數：

 

1. 首波電壓FHL

 

e.g. FHLmin >=5

e.g. FHLmax = 200

e.g. FHLstep = 5

 

2. 流量控制比例，例如25%

 

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(gè)飛行時(shí)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(shí)間差

6. SUMTOF                              GP30套件計算得到的時(shí)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(xiě)程序，然后對每一支管段進(jìn)行測試。我們對這4支管段使用下圖裝置與軟件進(jìn)行測試，得到大量數據。

 

1.首先我們在某個(gè)溫度（24°C~25°C），全流量范圍下，幾個(gè)參數的對比。

 

A管段：可以看出在該溫度，全流量下，測量結果保持穩定狀態(tài)，時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì )有周期跳變，屬正?，F象。

 

 

B管段：可以看出在該溫度全流量下，測量結果保持穩定狀態(tài)，時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì )有周期跳變，屬正?，F象。隨著(zhù)FHL遞增，AM 數量也較A管段多，因此可以看出B管段的波峰數量多于A(yíng) 管段。

 

 

C管段：只截取到DIFFTOF和PWR的圖像。很明顯周期跳躍比較多，而且兩個(gè)換能器的接收波形的PW不重合，說(shuō)明同一個(gè)收發(fā)周期中的接收信號不同，說(shuō)明這一對換能器不匹配。

 

 

D管段：可以看出在該溫度，全流量下，測量結果還行，但是從PW-FHL圖上可以看出一個(gè)FHL可能對應了兩個(gè)PWR的值，說(shuō)明在全流量下超聲波信號不是很穩定，會(huì )隨著(zhù)流量變化而變化；另外，從AM-FHL圖像上可以看出同一個(gè)FHL 對應兩個(gè)不同的TOF1的值，更加說(shuō)明超聲波信號受流速影響比較大。

 

 

2.我們在某個(gè)流量區間（400~500l/h），全溫度范圍下，幾個(gè)參數的對比。

 

A管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響比較小，測量結果保持穩定狀態(tài)，時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì )有周期跳變，屬正?，F象。另外，PW值會(huì )受溫度影響在某個(gè)范圍內發(fā)生偏移。

 

 

B 管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響，測量結果保持穩定狀態(tài)，時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì )有周期跳變，屬正?，F象。另外，PW值會(huì )受溫度影響在某個(gè)范圍內發(fā)生偏移。但整體來(lái)說(shuō)，數據的離散性比較大。

 

 

C管段：從如下的DIFFTOF的圖像，可以看出，時(shí)間差受溫度影響很大，只有很小的一個(gè)范圍在我們設置的條件下DIFFTOF基本沒(méi)有跳變。在這個(gè)FHL范圍下，PWR的值受限于0.4~0.6之間；從AM圖中，看出部分地方藍色和橙色沒(méi)有重合，表示在這個(gè)FHL下，兩邊的換能器接收到的信號幅值不一致；從PW上看出線(xiàn)條比較粗，要么波峰的數量比較多，要么接收信號受溫度影響很大，要么二者兼項，我跟個(gè)人偏向于后者；從TOF1的圖像看出臺階比較多，因此波峰數量比較多。

 

 

D管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響比較小，測量結果保持穩定狀態(tài)，時(shí)間差在幾個(gè)波峰處會(huì )有周期跳變，屬正?，F象。另外，PW值會(huì )受溫度影響在某個(gè)范圍內發(fā)生偏移，但是數據的離散程度較大。

 

 

3.我們在全流量，全溫度范圍下，幾個(gè)參數橫向的對比。

 

DIFFTOF-FHL：相比較四個(gè)管段，A管段的表現最佳，在三個(gè)比較寬的范圍內都沒(méi)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-FHL：相比較四個(gè)管段，A管段可以看做有四個(gè)波峰值，彼此獨立，很好的印證了DIFFTOF的表現，幾個(gè)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-FHL：相比較四個(gè)管段，A管段較為明顯的分成了四個(gè)部分，其實(shí)是首波分別在四個(gè)不同的波峰的時(shí)候的半波長(cháng)比。B管段圖像較粗，說(shuō)明數據的離散型不如A好，D的離散型更加差一些，說(shuō)明受溫度和流量影響更加大。C幾乎沒(méi)有可用的地方，根據DIFFTOF得到的FHL來(lái)看PW只能設置在0.4到0.6之間。

 

 

TOF1-FHL：A很明顯當首波發(fā)生跳變的時(shí)候，TOF1的值發(fā)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(xiàn)，重疊部分較多，只在DIFFTOF穩定的那段區間TOF1保持穩定。

 

 

因此，類(lèi)似上述四種管段，A，B管段可使用的區間較多，優(yōu)先使用，D管段選擇使用，C管段建議不要使用。

 

 

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