基于GP30-F01的超声波水表首波电平选择的幅值分析

品慧电子讯节约水资源越来越受到人们的关注，而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。精确计量成为行业焦点，传统的机械水表正在逐步被更智能的超声波水表取代。

艾迈斯半导体用于超声波水表的计量芯片如GP22、GP30，针对真实应用环境不停更新迭代、性能优化，越来越接近于真实的水流环境。与之相应地，在电子部分的优化之外，如何正确选择好的管段+换能器，成了水表好用与否的关键。

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。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：

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。测试方法是首先在室温下，提供一个小流量，然后从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：

1. 首波电压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支管段使用下图装置与软件进行测试，得到大量数据。

1.首先我们在某个温度（24°C~25°C），全流量范围下，几个参数的对比。

A管段：可以看出在该温度，全流量下，测量结果保持稳定状态，时间差在几个波峰处会有周期跳变，属正常现象。

B管段：可以看出在该温度全流量下，测量结果保持稳定状态，时间差在几个波峰处会有周期跳变，属正常现象。随着FHL递增，AM 数量也较A管段多，因此可以看出B管段的波峰数量多于A 管段。

C管段：只截取到DIFFTOF和PWR的图像。很明显周期跳跃比较多，而且两个换能器的接收波形的PW不重合，说明同一个收发周期中的接收信号不同，说明这一对换能器不匹配。

D管段：可以看出在该温度，全流量下，测量结果还行，但是从PW-FHL图上可以看出一个FHL可能对应了两个PWR的值，说明在全流量下超声波信号不是很稳定，会随着流量变化而变化；另外，从AM-FHL图像上可以看出同一个FHL 对应两个不同的TOF1的值，更加说明超声波信号受流速影响比较大。

2.我们在某个流量区间（400~500l/h），全温度范围下，几个参数的对比。

A管段：从图上可以看出，在该流量范围内，全温度下，DIFFTOF受温度影响比较小，测量结果保持稳定状态，时间差在几个波峰处会有周期跳变，属正常现象。另外，PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移。

B 管段：从图上可以看出，在该流量范围内，全温度下，DIFFTOF受温度影响，测量结果保持稳定状态，时间差在几个波峰处会有周期跳变，属正常现象。另外，PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移。但整体来说，数据的离散性比较大。

C管段：从如下的DIFFTOF的图像，可以看出，时间差受温度影响很大，只有很小的一个范围在我们设置的条件下DIFFTOF基本没有跳变。在这个FHL范围下，PWR的值受限于0.4~0.6之间；从AM图中，看出部分地方蓝色和橙色没有重合，表示在这个FHL下，两边的换能器接收到的信号幅值不一致；从PW上看出线条比较粗，要么波峰的数量比较多，要么接收信号受温度影响很大，要么二者兼项，我跟个人偏向于后者；从TOF1的图像看出台阶比较多，因此波峰数量比较多。

D管段：从图上可以看出，在该流量范围内，全温度下，DIFFTOF受温度影响比较小，测量结果保持稳定状态，时间差在几个波峰处会有周期跳变，属正常现象。另外，PW值会受温度影响在某个范围内发生偏移，但是数据的离散程度较大。

3.我们在全流量，全温度范围下，几个参数横向的对比。

DIFFTOF-FHL：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-FHL：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-FHL：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-FHL：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。

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