【導讀】節(jié)約水資源越來越受到人們的關注，而水表行業(yè)也正在經(jīng)歷著如何進行階梯水價收費的改革浪潮。精確計量成為行業(yè)焦點，傳統(tǒng)的機械水表正在逐步被更智能的超聲波水表取代。
艾邁斯半導體用于超聲波水表的計量芯片如GP22、GP30，針對真實應用環(huán)境不停更新迭代、性能優(yōu)化，越來越接近于真實的水流環(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鍵。
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(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行分析，研究在各個狀態(tài)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(diào)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(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）進行連續(xù)的幅值采集，得到的數(shù)據(jù)圖如下：
很容易發(fā)現(xiàn)，這4種換能器代表了四類典型的換能器。在全溫度范圍內(nèi)：
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??；
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(fā)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(wěn)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(fā)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。測試方法是首先在室溫下，提供一個小流量，然后從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(shù)據(jù)；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(huán)，記錄下相關數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行分析。
需要設定的參數(shù)：
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(shù)據(jù)：
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支管段使用下圖裝置與軟件進行測試，得到大量數(shù)據(jù)。
1.首先我們在某個溫度（24°C~25°C），全流量范圍下，幾個參數(shù)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(wěn)定狀態(tài)，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正?，F(xiàn)象。
B管段：可以看出在該溫度全流量下，測量結果保持穩(wěn)定狀態(tài)，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正?，F(xiàn)象。隨著FHL遞增，AM 數(shù)量也較A管段多，因此可以看出B管段的波峰數(shù)量多于A 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，而且兩個換能器的接收波形的PW不重合，說明同一個收發(fā)周期中的接收信號不同，說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FHL可能對應了兩個PWR的值，說明在全流量下超聲波信號不是很穩(wěn)定，會隨著流量變化而變化；另外，從AM-FHL圖像上可以看出同一個FHL 對應兩個不同的TOF1的值，更加說明超聲波信號受流速影響比較大。
2.我們在某個流量區(qū)間（400~500l/h），全溫度范圍下，幾個參數(shù)的對比。
A管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內(nèi)，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響比較小，測量結果保持穩(wěn)定狀態(tài)，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現(xiàn)象。另外，PW值會受溫度影響在某個范圍內(nèi)發(fā)生偏移。
B 管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內(nèi)，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響，測量結果保持穩(wěn)定狀態(tài)，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現(xiàn)象。另外，PW值會受溫度影響在某個范圍內(nèi)發(fā)生偏移。但整體來說，數(shù)據(jù)的離散性比較大。
C管段：從如下的DIFFTOF的圖像，可以看出，時間差受溫度影響很大，只有很小的一個范圍在我們設置的條件下DIFFTOF基本沒有跳變。在這個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有重合，表示在這個FHL下，兩邊的換能器接收到的信號幅值不一致；從PW上看出線條比較粗，要么波峰的數(shù)量比較多，要么接收信號受溫度影響很大，要么二者兼項，我跟個人偏向于后者；從TOF1的圖像看出臺階比較多，因此波峰數(shù)量比較多。
D管段：從圖上可以看出，在該流量范圍內(nèi)，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響比較小，測量結果保持穩(wěn)定狀態(tài)，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現(xiàn)象。另外，PW值會受溫度影響在某個范圍內(nèi)發(fā)生偏移，但是數(shù)據(jù)的離散程度較大。
3.我們在全流量，全溫度范圍下，幾個參數(shù)橫向的對比。
DIFFTOF-FHL：相比較四個管段，A管段的表現(xiàn)最佳，在三個比較寬的范圍內(nèi)都沒有發(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(xiàn)，幾個周期跳變都是發(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(shù)據(jù)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(jù)DIFFTOF得到的FHL來看PW只能設置在0.4到0.6之間。
TOF1-FHL：A很明顯當首波發(fā)生跳變的時候，TOF1的值發(fā)生階躍性跳變。B管段在穩(wěn)定的DIFFTOF的區(qū)間，TOF1也能保持穩(wěn)定，D管段離散性較B管段而言比較大，而C管段基本呈現(xiàn)一條緩緩向上的直線，重疊部分較多，只在DIFFTOF穩(wěn)定的那段區(qū)間TOF1保持穩(wěn)定。
因此，類似上述四種管段，A，B管段可使用的區(qū)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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