一种超声波水表校验系统及方法

技术领域

本申请涉及超声波水表校准的技术领域，尤其是涉及一种超声波水表校验系统及方法。

背景技术

相对于传统的机械水表，超声波水表具有小流量计量更准确、压损小、使用寿命长的特点。超声波水表是在装满水的水管中利用超声波上行和下行传播的时间差来计算水的流速和流量。

但是，超声波在水中的传播速度会随着温度的变化而发生变化，例如在0.1度的水中传播速度为1420m/s，而在30度的水中的传播速度为1520m/s，故温度对于测量精度的影响系数需要在设计阶段进行修正并保证流量计量的整体精度。

当前技术中，对于研发阶段对超声波水表的校准采用常规的计量台，在水箱中提供相应温度的水，使用加热棒进行升温或利用大量冰块进行降温，但是不存在相应的保温系统，这样随着试验的进行，水箱内的水温会随着环境温度发生变化，从而导致水箱内的水温不稳定，而水管的水温同样会不稳定，大大影响了超声波水表的试验效果。

发明内容

本申请的目的是减少对超声波水表的校验过程中水温变化所造成的校验精度影响。

第一方面，本申请提供的一种超声波水表校验系统，采用如下的技术方案：

一种超声波水表校验系统，包括工作水箱、冷水箱、加热水箱、保温压力罐、超声波水表、温度传感器、控制器，其中，

所述冷水箱用于获取试验用水以降温并存储，所述加热水箱用于获取试验用水以升温并存储；

所述工作水箱通过冷水管与所述冷水箱连通，还通过所述热水管与所述加热水箱连通，所述冷水管上设置有用于控制试验用水流向通断的第一水泵，所述热水管上设置有用于控制试验用水流向通断的第二水泵；

所述保温压力罐通过进流管和出流管与所述工作水箱相连通，所述进流管中的流向为试验用水从所述工作水箱流向所述保温压力罐，所述进流管上设置有第三水泵，所述出流管的流向为试验用水从所述保温压力罐流向所述工作水箱，所述出流管上设置有第一阀门，所述保温压力罐通过所述第三水泵和所述第一阀门之间的配合实现温度调节，同时其还用于在保温压力罐内部进行压力调整，所述温度传感器设置在所述保温压力罐内以检测所述保温压力罐内的水温并得到温度信号；

所述控制器连接于所述温度传感器以获取所述温度信号，并用于根据所述温度信号调节所述第一水泵、第二水泵、第三水泵、第一阀门和第二阀门的通断状态。

在另一些实施例中，所述超声波水表及超声波水表两侧的部分浸泡于所述工作水箱内部。

在另一些实施例中，还包括电磁流量计，所述电磁流量计连接于所述以检测水流的流速和流量，所述电磁流量计位于所述超声波水表和所述加热水箱之间。

在另一些实施例中，所述保温压力罐和所述加热水箱之间设置有第一计量水箱和第一光电液位计，所述第一计量水箱的入水端和所述保温压力罐之间还设置有第三阀门，所述第一计量水箱的出水端和所述加热水箱之间还设置有第四阀门，所述第一光电液位计连接于所述第一计量水箱以判断第一计量水箱内的水量是否到达低区流量校验值，并生成低区判断结果以发送至所述控制器，所述控制器通过所述低区判断结果控制所述第三阀门和所述第四阀门的通断。

在另一些实施例中，所述保温压力罐和所述加热水箱之间设置有第二计量水箱和第二光电液位计，所述第二计量水箱的入水端和保温压力罐之间还设置有第五阀门，所述第二计量水箱的出水端和所述保温压力罐之间还设置有第六阀门，所述第二光电液位计连接于所述第二计量水箱以判断所述第二计量水箱内的水量是否到达高区流量校验值，并生成高区判断结果以发送至所述控制器，所述控制器通过所述高区判断结果控制所述第五阀门和第六阀门的通断。

在另一些实施例中，所述加热水箱内设置有加热棒，所述工作水箱内设置有辅热棒和搅拌器。

第二方面，本申请提供的一种超声波水表校验方法，采用如下的技术方案：

一种超声波水表校验方法，包括以下步骤：

获取目标试验温度和所述温度传感器上检测到的温度信号；

将所述温度信号与所述目标试验温度进行比较计算以获取温度差；

根据所述温度差打开所述冷水管上的所述第一水泵或打开所述热水管上的所述第二水泵；

打开所述进流管上的所述第三水泵，并持续比较计算获取温度差；

若所述温度差不为零，则打开所述出流管上的所述第一阀门；若所述温度差为零，则关闭所述第三水泵和所述第一阀门并打开所述上的第二阀门以使得所述试验用水流向所述超声波水表，获取当前所述超声波水表上的读数并根据读数计算出流速和流量。

在另一些实施例中，获取当前所述超声波水表上的读数后，还包括：

将所述超声波水表上的读数定义为第一读数；

获取电磁流量计上的读数并定义为第二读数；

将所述第二读数作为参考读数判断所述第一读数是否准确。

在另一些实施例中，若所述温度差为零，还包括低区流量校验方法，具体的：

打开连接于第一计量水箱的第三阀门；

获取连接于所述第一计量水箱上的第一光电液位计检测到的所述第一计量水箱内的水量，并定义为第一液位数值；

判断所述第一液位数值是否达到预设的低区流量校验值；

若未达到，则保持所述第三阀门打开；

若达到，则关闭所述第三阀门，读取所述超声波水表上的读数并计算出相应的流量大小，判断所述流量大小是否满足所述低区流量校验值；

判断结束后打开相连通于所述第一计量水箱和所述加热水箱之间的第四阀门。

在另一些实施例中，若所述温度差为零，还包括高区流量校验方法，具体的：

打开连接于第二计量水箱的第五阀门；

获取连接于所述第二计量水箱的第二光电液位计检测到的所述第二计量水箱内的水量，并定义为第二液位数值；

判断所述第二液位数值是否达到预设的高区流量校验值；

若未达到，则保持所述第五阀门打开；

若达到，则关闭所述第五阀门，读取所述超声波水表上的读数并计算出相应的流量大小，判断所述流量大小是否满足所述高区流量校验值；

判断结束后打开相连通于所述第二计量水箱和所述加热水箱之间的第六阀门。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过控制器对各个阀门和水泵的逻辑控制使得保温压力罐中的试验用水水温保持恒定，减少水温变化对超声波水表检测流速的影响，使得对超声波水表的校验精度更高；

2.通过对超声波水表进行水浴，减少环境温度对管道内试验用水的温度影响；

3.通过精度更高的电磁流量计实现对超声波水表校验工作中的辅助判定；

4.通过10L和100L的标定体积计量方法来实现对超声波水表低区和高区的精确校验。

附图说明

图1是本申请中超声波水表校验系统的整体连接示意图；

图2是本申请中超声波水表校验方法的整体步骤示意图；

图3是本申请实施例中通过电磁流量计进行辅助校验的步骤示意图；

图4是本申请实施例中进行低区校验时的步骤示意图；

图5是本申请实施例中进行高区校验时的步骤示意图；

图中，1、工作水箱；2、冷水箱；3、加热水箱；4、保温压力罐；5、超声波水表；6、温度传感器；7、控制器；8、冷水管；9、第一水泵；10、热水管；11、第二水泵；12、进流管；13、出流管；14、第三水泵；15、第一阀门；16、；17、第二阀门；18、电磁流量计；19、第一计量水箱；20、第一光电液位计；21、第三阀门；22、第四阀门；23、第二计量水箱；24、第二光电液位计；25、第五阀门；26、第六阀门；27、加热棒；28、辅热棒；29、搅拌器。

具体实施方式

以下结合附图1-附图5，对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，一种超声波水表校验系统，包括工作水箱1、冷水箱2、加热水箱3、保温压力罐4、超声波水表5、温度传感器6、控制器7。

冷水箱2用于获取试验用水以降温并存储，加热水箱3用于获取试验用水以升温并存储。

冷水箱2的降温方法可以使用制冷剂、添加冰块等方式。加热水箱3的升温方式是通过在加热水箱3内放置加热棒27等升温装置实现。试验用水为自来水。

冷水箱2和加热水箱3与接通自来水之间的管道上设置有阀门，通过阀门的打开实现自来水流进冷水箱2和加热水箱3，关闭阀门则自来水停止流向冷水箱2和加热水箱3。

工作水箱1通过冷水管8与冷水箱2连通，还通过热水管10与加热水箱3连通，冷水管8上设置有用于控制试验用水流向通断的第一水泵9，热水管10上设置有用于控制试验用水流向通断的第二水泵11。

第一水泵9可以将冷水箱2内的冷水泵入工作水箱1，第二水泵11则可以将加热水管10中的热水泵入工作水箱1，冷水和热水在工作水箱1内进行混合，工作水箱1内还设置有搅拌器29，提高冷热水融合程度，加快水温变化的速度，使得工作水箱1内的水温可以接近或等于试验中想要得到的水温。

保温压力罐4通过进流管12和出流管13与工作水箱1相连通，进流管12中的流向为试验用水从工作水箱1流向保温压力罐4，进流管12上设置有第三水泵14，出流管13的流向为试验用水从保温压力罐4流向工作水箱1，出流管13上设置有第一阀门15。

保温压力罐4通过第三水泵14和第一阀门15之间的配合实现温度调节。温度传感器6设置在保温压力罐4内以检测保温压力罐4内的水温并得到温度信号。

同时因为超声波水表5在实际使用时，需要配合较高楼层的流量流速进行检测，故层数越高，将生活用水达到该层数所需要的压力就越大，那么为了模拟不同的压力下水流流速、流量的变化，故保温压力罐4还可以对内部进行加压或降压。保温压力罐4最大可以接受16个大气压的模拟情况，而为了保证水流流量的正常检测，一般情况下保温压力罐4内保持6个大气压的压力大小。

保温压力罐4通过16与保温水箱相连通，以实现试验用水的循环回流，超声波水表5连接于16以检测水流的流速和流量，保温压力罐4和超声波水表5之间设置有第二阀门17。

保温水箱内的水通过16流向保温水箱，试验用水可以实现回流，同时超声波水表5可以对流过16的水进行流速和流量的检测。

控制器7电连接于温度传感器6以获取温度信号，并用于根据温度信号调节第一水泵9、第二水泵11、第三水泵14、第一阀门15和第二阀门17的通断状态。

控制器7根据不同的温度信号，对应于不同的试验所需要的温度，调节各个水泵和阀门的通断，实现温度的调节和保温。

具体的，当保温压力罐4内的水温低于试验需要的水温时，控制器7控制加热水箱3内的加热装置进行加热，然后打开热水管10上的第二水泵11，使得热水流入工作水箱1，再打开进流管12上的第三水泵14，使得工作水箱1内的温度变高的水流入保温压力罐4，当保温压力罐4中的水达到一定容量但是温度依旧没有达到试验需要的水温时，再将出流管13上的第一阀门15打开，使得保温压力罐4中的水回流至工作水箱1，工作水箱1内的水同时再流向保温压力罐4，实现一个水循环，直至保温压力罐4内的水温符合试验要求，这时控制器7控制第二水鞥、第三水泵14和第一阀门15都关闭，再控制16上的第二阀门17，使得保温压力罐4中的水流出，这样超声波水表5便可以检测到固定的试验需要水温下的水流流速和流量，整个系统可以使得水温恒定，减少水温对超声波水表5检测流速的影响，使得对超声波水表5的校验精度更高。

而保温压力罐4内的水温高于试验需要的水温时，具体流程与上述过程相似，只有控制器7所控制的阀门和水泵发生了变化。

在另一些实施例中，超声波水表5及超声波水表5两侧的部分16浸泡于工作水箱1内部。

超声波水表5具有IP68级防水，其可以放置在水中使用。将超声波水表5放置在工作水箱1内实现水浴，因为在试验过程中若将超声波水表5放置在外部空气中，管道内流过的水会受到室温或环境温度的影响，那么为了减少水温变化对效验精度所造成的影响，将超声波水表5放置在工作水箱1中，因工作水箱1中的水与保温压力罐4中的水本质上是相同的，故两个位置的水温是相近或相同的，这样可以减少管道内的水受环境温度的影响。

如图1所示，在另一些实施例中，还包括电磁流量计18，电磁流量计18连接于16以检测水流的流速和流量，电磁流量计18位于超声波水表5和加热水箱3之间。

因为电磁流量计18的读数相较于超声波水表5更加准确，但介于电磁流量计18的价格较高，故应用于市场中依旧以超声波水表5为主，而在超声波水表5设计研发的校验环节，可以利用电磁流量计18计量流速和流量数值更加准确的特性将电磁流量计18作为参考对照项。

温度恒定的水流流过超声波水表5和电磁流量计18，通过电磁流量计18上的数值来作为标准参照项，比对分析超声波水表5的数值是否准确，若两个读数之间存在较大的差异，则需要对超声波水表5或者系统中各个部分和步骤进行检查。

超声波水表5上的表盘一般分为两个区域-低区（也叫下区）和高区（也叫上区），低区位于表盘下方的区域，一般为0～1/h，用于计量小流量，精准度较高，误差在±5%以内；而高区则是表盘上方的区域，一般为1～4/h，用于测量大流量，精度较低，误差在±7%以内。在实际使用中，水流量小的时候，超声波水表5的低区读数更准确；当水流量大的时候，超声波水表5的高区读数更准确。

那么在校验环节，也需要对各个待校验的超声波水表5的低区和高区进行校验，校验方式采取体积法标定流量。根据国家标准GB/T778.1-2018的要求，一般用10L计量来检定低区流量，用100L计量来检定高区流量。

如图1所示，在另一些实施例中，保温压力罐4和加热水箱3之间设置有第一计量水箱19和第一光电液位计20，第一计量水箱19的入水端和保温压力罐4之间还设置有第三阀门21，第一计量水箱19的出水端和加热水箱3之间还设置有第四阀门22，第一光电液位计20连接于第一计量水箱19以判断第一计量水箱19内的水量是否到达低区流量校验值，并生成低区判断结果已发送至控制器7，控制器7通过低区判断结果控制第三阀门21和第四阀门22的通断。

首先在低区校验过程中，调整好保温压力罐4内的温度，使得其处于想要的试验温度，通过控制器7打开第三阀门21使得保温压力罐4内的水流向第一计量水箱19，需要注意的是，这时为了提高低区校验的准确性，水流为小流量，这时第四阀门22是关闭的，那么随着水流的流入，第一计量水箱19内的水越来越多，液面高度越来越高，同时通过第一光电液位计20来实时监测第一计量水箱19内的液面高度以计算出当前的水量，直到水量达到低区流量校验值，也就是国家规定的10L，这时查看超声波水表5上的读数以判断超声波水表5上的流量读数是否为10L，根据读数结果以及读数结果与10L之间的误差得到低区效验时超声波水表5的精准度。

进一步的，还可以同时查看电磁流量计18的读数作为参考，更准确的判断出超声波水表5的低区校准精确度。

而第一计量水箱19内的水达到10L且对超声波水表5的低区校准结束后，控制器7控制第四阀门22打开，使得第一计量水箱19内的水流入加热水箱3实现回流，这样加热水箱3可以对试验用水进行重复加热，而不需要再另外接入自来水。

在另一些实施例中，保温压力罐4和加热水箱3之间设置有第二计量水箱23和第二光电液位计24，第二计量水箱23的入水端和保温压力罐4之间还设置有第五阀门25，第二计量水箱23的出水端和保温压力罐4之间还设置有第六阀门26，第二光电液位计24连接于第二计量水箱23以判断第二计量水箱23内的水量是否到达高区流量校验值，并生成高区判断结果以发送至控制器7，控制器7通过高区判断结果控制第五阀门25和第六阀门26的通断。

对于高区校验同理，调整好保温压力罐4内的温度，使得其处于想要的试验温度，通过控制器7打开第五阀门25使得保温压力罐4内的水流向第二计量水箱23，需要注意的是，这时为了提高高区校验的准确性，水流为大流量，这时第六阀门26是关闭的，那么随着水流的流入，第二计量水箱23内的水越来越多，液面高度越来越高，同时通过第二光电液位计24来实时监测第二计量水箱23内的液面高度以计算出当前的水量，直到水量达到高区流量校验值，也就是国家规定的100L，这时查看超声波水表5上的读数以判断超声波水表5上的流量读数是否为100L，根据读数结果以及读数结果与100L之间的误差得到高区效验时超声波水表5的精准度。

进一步的，还可以同时查看电磁流量计18的读数作为参考，更准确的判断出超声波水表5的高区校准精确度。

而第二计量水箱23内的水达到100L且对超声波水表5的高区校准结束后，控制器7控制第六阀门26打开，使得第二计量水箱23内的水流入加热水箱3实现回流，这样加热水箱3可以对试验用水进行重复加热，而不需要再另外接入自来水。

在本申请实施例中，第一计量水箱19、第二计量水箱23、第一光电液位计20和第二光电液位计24都设置在工作水箱1内。

由于水的密度会随着温度的变化而变化，即一定质量的水在不同温度下的体积不同，5摄氏度的水密度为0.999992克每立方厘米，30摄氏度的水的密度为0.995676克每立方厘米，那么30摄氏度下10L的水，在5摄氏度下的体积就是9.9568L，误差约为0.4%，而本申请中，超声波水表5的环境温度、第一计量水箱19和第二计量水箱23都位于工作水箱1内，温度都相同，故可以消除水温导致的测量误差。

进一步的，工作水箱1和冷水箱2之间还通过第七阀门相连，这样当工作水箱1内的水较多时，可以打开第七阀门，使得工作水箱1内的水流入冷水箱2，实现试验用水的循环使用。

如图2所示，本申请还公开了一种超声波水表5校验方法，包括以下步骤：

S100，获取目标试验温度和温度传感器6上检测到的温度信号。

目标试验温度表征为在校验过程需要进行设定且保持的温度，如5摄氏度、30摄氏度等等。

S200，将温度信号与目标试验温度进行比较计算以获取温度差。

S300，根据温度差打开冷水管8上的第一水泵9或打开热水管10上的第二水泵11。

检测到的当前保温压力罐4内的水温和目标试验温度进行做差比较，如果保温压力罐4内的水温高于目标试验温度，则打开冷水管8上的第一水泵9，如果保温压力罐4内的水温低于目标试验温度，则打开热水管10上的第二水泵11。

S400，打开进流管12上的第三水泵14，并持续比较计算获取温度差。

当存在温度差时，打开进流管12上的第三水泵14，持续判断温度差的大小，直到温度差为零时，认为保温压力罐4中的水温达到了想要的目标试验温度。

S500，若温度差不为零，则打开出流管13上的第一阀门15；若温度差为零，则关闭第三水泵14和第一阀门15并打开16上的第二阀门17以使试验用水流向超声波水表5，获取当前超声波水表5上的读数并根据读数计算出流速和流量。

如果温度差不为零，还要打开第一阀门15实现工作水箱1和保温压力罐4之间的水循环，直至保温压力管内的水温和预设的目标试验温度之间不存在温度差。

当不存在温度差时，便可以打开第二阀门17进行超声波水表5对应的流速和流量的校验工作。

如图3所示，获取当前超声波水表5上的读数后，还包括：

S510，将超声波水表5上的读数定义为第一读数。

S511，获取电磁流量计18上的读数并定义为第二读数。

S512，将第二读数作为参考读数判断第一读数是否准确。

电磁流量计18作为对超声波水表5的校验参照量，在进行校验时，将两者的读数进行比对，因为电磁流量计18的计量精度更高，故通过超声波水表5上的读数是否与电磁流量计18上的读数相同或接近来辅助进行超声波水表5的校验工作。

如图4所示，若温度差为零，还包括低区流量效验方法，具体的：

S520，打开连接于第一计量水箱19的第三阀门21。

S521，获取连接于第一计量水箱19上的第一光电液位计20检测到的第一计量水箱19内的水量，并定义为第一液位数值。

S522，判断第一液位数值是否达到预设的低区流量校验值。

S523，若未达到，则保持第三阀门21打开。

S524，若达到，则关闭第三阀门21，读取超声波水表5上的读数并计算出相应的流量大小，判断流量大小是否满足低区流量校验值。

S525，判断结束后打开相连通于第一计量水箱19和加热水箱3之间的第四阀门22。

如图5所示，若温度差为零，还包括高区流量校验方法，具体的：

S530，打开连接于第二计量水箱23的第五阀门25。

S531，获取连接于第二计量水箱23的第二光电液位计24检测到的第二计量水箱23内的水量，并定义为第二液位数值。

S532，判断第二液位数值是否达到预设的高区流量校验值。

S533，若未达到，则保持第五阀门25打开。

S534，若达到，则关闭第五阀门25，读取超声波水表5上的读数并计算出相应的流量大小，判断流量大小是否满足高区流量校验值。

S535，判断结束后打开相连通于第二计量水箱23和加热水箱3之间的第六闸门。

本申请实施例的实施原理为：

当保温压力罐4内的水温低于试验需要的水温时，控制器7控制加热水箱3内的加热装置进行加热，然后打开热水管10上的第二水泵11，使得热水流入工作水箱1，再打开进流管12上的第三水泵14，使得工作水箱1内的温度变高的水流入保温压力罐4，当保温压力罐4中的水达到一定容量但是温度依旧没有达到试验需要的水温时，再将出流管13上的第一阀门15打开，使得保温压力罐4中的水回流至工作水箱1，工作水箱1内的水同时再流向保温压力罐4，实现一个水循环，直至保温压力罐4内的水温符合试验要求，这时控制器7控制第二水鞥、第三水泵14和第一阀门15都关闭，再控制16上的第二阀门17，使得保温压力罐4中的水流出，这样超声波水表5便可以检测到固定的试验需要水温下的水流流速和流量，整个系统可以使得水温恒定，减少水温对超声波水表5检测流速的影响，使得对超声波水表5的校验精度更高。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。