基于GP30-F01的超声波水表首波电平选择的幅值分析
如今如何节约水资源的问题越来越受到人们的关注，水表行业也正在经历着如何进行阶梯水价收费的改革浪潮，因此如何精确计量是水行业中讨论的焦点。传统的机械水表的精确程度远不及超声波水表，正在逐步被超声波水表取代。弊公司用于超声波水表的计量芯片如GP22，GP30，也正处于更新迭代的发展中，性能也在跳跃式的优化中，越来越接近于真实的水流环境，GP30的流量算法更是可以对气泡空管段等进行处理。但是，电子部分的优化只是水表的一个方面，另一个方面就是管段+换能器的选择，如何正确的选择一个好的管段+换能器将成为水表成败的关键。今天我想谈谈我们是如何去判断一个管段+换能器是否具有良好的性能。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201907/402130.htm对于使用过GP22的用户来说，首波检测是一个并不陌生的概念，它可以判断出接收波形，精确的定义首波的位置，一旦首波确定，在此基础上进行时间信号采集。但是信号的幅值会随着温度和流量的改变而改变，导致原本设定好的FHL可能不再适用于当前状态，而发生周期跳变。因此在设计水表之前，我们需要先对换能器和管段进行分析，研究在各个状态下FHL的值是否还适用，还是真的需要修正，或者有没有一个FHL的值可以覆盖全温度全流量范围而不需要调整，这就需要我们对使用的管段和换能器了如指掌。今天我想讨论一下如何在基于GP30-F01的基础上去分析管段和换能器发出的超声波的幅值。
首先，我们进行全温度范围下接收波形的前4个波的峰值检测。因为首波检测基于的一个条件就是相邻的波峰之间如果幅值差越大，那么就越不容易发生周期跳变的可能。我们从供应商那里取得4种换能器#1，#2，#3，#4。在全温度范围（5°C~60°C）进行连续的幅值采集，得到的数据图如下：
我们可以很容易发现，这4种换能器代表了四类典型的换能器。在全温度范围内，1#换能器前4个波峰幅值变化不大，但是相邻波峰的幅值差很小；2#换能器前4个波峰幅值变化随温度升高而变大，高温下的第三波甚至超过了低温下的第四波，易于发生周期跳变，而且相邻的波峰幅值差也很小；3#换能器前4个波峰幅值基本维持稳定，并且相邻波峰幅值差也比较大，是适合进行FHL 设置的；4#换能器刚好和2#相反，波峰的幅值随温度的升高而减小，高温下的第四波甚至低过了低温下的第三波，也会发生周期跳变。
接下来，我们会加入流量元素，使实验更加接近真实情况。我们测试的方法是首先在室温下，提供一个小流量，然后从我们设定的最小首波电压FHLmin开始，按照设定的步长FHLstep递增至最大首波电压FHLmax，记录下相关数据；然后在不改变温度的情况下也按照一定步长（或者比例）增大流量，重复FHL的递增循环，记录下相关数据，直到覆盖全流量范围；随后增大温度，重复上述测试，直到涵盖了全温度范围（5°C~60°C），我们通过Excel表格对这些数据进行分析。
需要设定的参数如下：
1.首波电压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%
我们需要采集的数据
1.FHL 上游/下游 GP30测量得到的首波电压
2.TOF1 上游/下游 GP30测量得到的第一个飞行时间的值
3.PWR 上游/下游 GP30测量得到的脉宽比
4.AM 上游/下游 GP30 测量得到的接收幅值
5.DIFFTOF GP30套件计算得到的时间差
6.SUMTOF GP30套件计算得到的时间和
7.Temp [°C] 外部传感器测量得到的温度值
8.Flow [l/h] 外部传感器测量得到的流量
9.Flow Average [l/h] 外部传感器测量得到的平均流量
在前期工作准备完毕后，我们可以编写程序，然后对每一支管段进行测试。我们对这4支管段使用装置与软件进行测试，得到大量数据。
我们在全流量，全温度范围下，几个参数横向的对比如下：
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：相比较四个管段，A管段的表现最佳，在三个比较宽的范围内都没有发生周期性跳变，B管段其次，D管段第三，C管段最差，可用的FHL最窄。
AM：相比较四个管段，A管段可以看做有四个波峰值，彼此独立，很好的印证了DIFFTOF的表现，几个周期跳变都是发生在波峰处，跳变后峰值也发生了变化，受温度和流量影响使得每一段都变粗。 B管段其次，D管段第三，C管段最差，可以看做幅值随FHL递增而增加，受温度和流量影响较大。
PWR：相比较四个管段，A管段较为明显的分成了四个部分，其实是首波分别在四个不同的波峰的时候的半波长比。B管段图像较粗，说明数据的离散型不如A好，D的离散型更加差一些，说明受温度和流量影响更加大。C几乎没有可用的地方，根据DIFFTOF得到的FHL来看PW只能设置在0.4到0.6之间。
TOF1：A很明显当首波发生跳变的时候，TOF1的值发生阶跃性跳变。B管段在稳定的DIFFTOF的区间，TOF1也能保持稳定，D管段离散性较B管段而言比较大，而C管段基本呈现一条缓缓向上的直线，重叠部分较多，只在DIFFTOF稳定的那段区间TOF1保持稳定。
因此，类似上述四种管段，A，B管段可使用的区间较多，优先使用，D管段选择使用，C管段建议不要使用。
（注：因为篇幅有限 ，有关在某个温度（24°C~25°C）及全流量范围下几个参数的对比分析，以及在某个流量区间（400~500l/h）及全温度范围下几个参数的对比分析内容，未能纳入文中，如欲了解完整内容，请登录《电子产品世界》网站查询。）
参考文献：
GP30 Application note FHL Determination and Regulation over Flow and Temperature Variations
数据手册DB_GP30_Vol1.pdf
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