艾邁斯半導體用於超聲波水表的計量芯片如GP22、GP30，針對真實應用環境不停更新迭代、性能優化

，越來越接近於真實的水流環境。與之相應地，在電子部分的優化之外
，如何正確選擇好的管段+換能器，成了水表好用與否的關鍵。

對於使用過GP22deyonghulaishuo，shoubojianceshiyigebingbumoshengdegainian，takeyipanduanchujieshouboxing，jingquededingyishoubodeweizhi
，yidanshouboqueding
，zaicijichushangjinxingshijianxinhaocaiji。danshixinhaodefuzhihuisuizhewenduheliuliangdegaibianergaibian，daozhiyuanbenshedinghaodeFHL可能不再適用於當前狀態
，而發生周期跳變。

 

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範圍而不需要調整，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於GP30-F01的基礎上去分析管段和換能器發出的超聲波的幅值。

 

首先
，我們進行全溫度範圍下接收波形的前4個波的峰值檢測。因為首波檢測基於的一個條件就是相鄰的波峰之間如果幅值差越大，那麼就越不容易發生周期跳變的可能。4種換能器#1，#2，#3
，#4
，在全溫度範圍（5°C~60°C）進行連續的幅值采集，得到的數據圖如下：

 

 

很容易發現，這4種換能器代表了四類典型的換能器。在全溫度範圍內：

 

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小；

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

，易於發生周期跳變
，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定，並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，然後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，記錄下相關數據；然後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
，重複FHL的遞增循環
，記錄下相關數據
，直到覆蓋全流量範圍；隨後增大溫度，重複上述測試，直到涵蓋了全溫度範圍（5°C~60°C），我們通過Excel表格對這些數據進行分析。

 

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. 流量控製比例
，例如25%

 

需要采集的數據：

 

1. FHL 上遊/下遊                      GP30測量得到的首波電壓

2. TOF1 上遊/下遊                    GP30測量得到的第一個飛行時間的值

3. PWR 上遊/下遊                     GP30測量得到的脈寬比

4. AM 上遊/下遊                       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後，我們可以編寫程序，然後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，得到大量數據。

 

1.首先我們在某個溫度（24°C~25°C），全流量範圍下，幾個參數的對比。

 

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，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現象。

 

 

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，時間差在幾個波峰處會有周期跳變
，屬正常現象。隨著FHL遞增，AM 數量也較A管段多，因此可以看出B管段的波峰數量多於A 管段。

 

 

C管段：隻截取到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.我們在某個流量區間（400~500l/h），全溫度範圍下
，幾個參數的對比。

 

A管段：從圖上可以看出，在該流量範圍內，全溫度下
，DIFFTOF受溫度影響比較小
，測量結果保持穩定狀態，時間差在幾個波峰處會有周期跳變
，屬正常現象。另外，PW值會受溫度影響在某個範圍內發生偏移。

 

 

B 管段：從圖上可以看出，在該流量範圍內，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響，測量結果保持穩定狀態，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現象。另外，PW值會受溫度影響在某個範圍內發生偏移。但整體來說
，數據的離散性比較大。

 

 

C管段：從如下的DIFFTOF的圖像，可以看出

，時間差受溫度影響很大，隻有很小的一個範圍在我們設置的條件下DIFFTOF基本沒有跳變。在這個FHL範圍下，PWR的值受限於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，要麼波峰的數量比較多，要麼接收信號受溫度影響很大，要麼二者兼項
，我跟個人偏向於後者；從TOF1的圖像看出台階比較多，因此波峰數量比較多。

 

 

D管段：從圖上可以看出，在該流量範圍內，全溫度下，DIFFTOF受溫度影響比較小，測量結果保持穩定狀態，時間差在幾個波峰處會有周期跳變，屬正常現象。另外，PW值會受溫度影響在某個範圍內發生偏移
，但是數據的離散程度較大。

 

 

3.我們在全流量，全溫度範圍下
，幾個參數橫向的對比。

 

DIFFTOF-FHL：相比較四個管段，A管段的表現最佳，在三個比較寬的範圍內都沒有發生周期性跳變，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，幾個周期跳變都是發生在波峰處，跳變後峰值也發生了變化，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，說明數據的離散型不如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DIFFTOF得到的FHL來看PW隻能設置在0.4到0.6之間。

 

 

TOF1-FHL：A很明顯當首波發生跳變的時候
，TOF1的值發生階躍性跳變。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，重疊部分較多，隻在DIFFTOF穩定的那段區間TOF1保持穩定。

 

 

因此，類似上述四種管段，A，B管段可使用的區間較多，優先使用，D管段選擇使用
，C管段建議不要使用。

 

 

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