中圖分類(lèi)號(hào)：TP399；TH814.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）11-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.010

Optimization Research on Fluid Measurement Accuracy of Electronic Display Water Meters for Intelligent Water Systems

ZHU BinYANG JianlinLYU ZhimingLIN Binfa （Ningbo Water Meter （Group） Co.，Ltd.，Ningbo 315000， China）

Abstract： [Purposes] In response to the high demand for flow monitoring accuracy in current smart water systems，an accuracy optimization method for electronic display water meters based on improvements in fluid measurement technology is proposed.[Methods] Based on the ultrasonic transit-time fluid measurement principle，this study analyzed the impact of pipeline flow field distribution on measurement accuracy，investigated the hardware architecture of electronic display water meters，proposed a measurement sequence filtering algorithm and an error curve correction algorithm，and planned the future development in combination with the requirements of the inteligent water system.[Findings] The optimized measurement sequence filtering algorithm efectively reduced the interference of abnormal data on measurement results，while the error curve correction algorithm improved the accuracy of flow measurement under complex flow field conditions.[Conclusions] The research results provide significant theoretical support for high-precision fluid measurement of electronic water meters in intelligent water afairs systems.

Keywords： intelligent water systems; water meter fluid measurement; sequence filtering algorithm

0 引言

隨著全球水資源管理數(shù)字化進(jìn)程的加速，智能水務(wù)系統(tǒng)已成為未來(lái)水資源高效調(diào)度與精準(zhǔn)監(jiān)控的基本方向。作為智能水務(wù)系統(tǒng)的核心終端設(shè)備，電子顯示水表在流體測(cè)量精度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及傳輸方面扮演著重要角色[。然而，復(fù)雜流場(chǎng)條件下流量測(cè)量的非線性誤差和系統(tǒng)噪聲仍是影響水表性能的主要瓶頸。因此，本研究通過(guò)深入分析電子水表的流體測(cè)量精度優(yōu)化方法，構(gòu)建更加高效、精準(zhǔn)和智能化的測(cè)量模型，以提升智能水務(wù)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效能。

1超聲波流體測(cè)量原理

1.1時(shí)差法測(cè)量原理

在超聲波流體測(cè)量中，時(shí)差法是經(jīng)過(guò)測(cè)量聲波在流體中傳播時(shí)間差來(lái)推算流速的一種方法[2]。具體而言，時(shí)差法利用聲波通過(guò)流體傳播時(shí)，聲波在順流方向與逆流方向的傳播時(shí)間不同的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量工作。管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，管道內(nèi)流體的流速為V，流體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為 L 的管段。在管道兩端分別安裝換能器，向管道內(nèi)發(fā)射超聲波，聲波分別沿著順流和逆流方向傳播。假設(shè)流體的流速為 V ，聲波傳播速度為C ，流體的流速方向會(huì)影響聲波的傳播時(shí)間，順流方向的傳播時(shí)間較短，逆流方向的傳播時(shí)間較長(zhǎng)。時(shí)差法核心在于測(cè)量聲波在順流和逆流方向上的傳播時(shí)間差 Δt ，結(jié)合管道長(zhǎng)度 L 及聲波傳播速度 C 計(jì)算流速 V ，具體見(jiàn)式（1）。

式中： Δt 為測(cè)得的時(shí)間差； L 為管道長(zhǎng)度； C 為聲波傳播速度。由于流體流速較小，時(shí)差法對(duì)流體的流速變化敏感，因此能提供較高的流速測(cè)量精度。換能器與反射片的布置進(jìn)一步保證了聲波信號(hào)的準(zhǔn)確接收與反射，減少了系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響[3]。

流體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，主要分為管壁附近的緩沖層、湍流中心和層流內(nèi)層。穩(wěn)態(tài)湍流流態(tài)分布如圖2所示。由圖2可知，流體流經(jīng)管道時(shí)，由于流體與管壁的摩擦作用，管道壁面附近會(huì)形成一層黏性流體層，稱(chēng)為緩沖層。緩沖層內(nèi)的流速梯度較大，流體流動(dòng)較為復(fù)雜。在緩沖層內(nèi)，流體速度逐漸從管壁的零速處增加，直到達(dá)到近管道中心的最大流速。在湍流區(qū)域，流體的流動(dòng)呈現(xiàn)高度不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，流速分布呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性和湍流結(jié)構(gòu)。湍流中心區(qū)域的流速變化對(duì)超聲波信號(hào)傳播產(chǎn)生較大影響，容易引起測(cè)量誤差。層流內(nèi)層流體的流速呈現(xiàn)線性分布，流速最大值出現(xiàn)在管道中心，逐漸向管壁過(guò)渡至零速。由于層流狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，聲波在此區(qū)域的傳播較為穩(wěn)定，適合進(jìn)行超聲波流速測(cè)量。為提高流量測(cè)量的精度，電子水表中的超聲波換能器應(yīng)當(dāng)盡量避開(kāi)湍流中心，集中于層流內(nèi)層或緩沖層的測(cè)量，以減少湍流波動(dòng)帶來(lái)的誤差影響。

2電子顯示水表流體測(cè)量硬件

電子顯示水表流體測(cè)量硬件框架如圖3所示。流速測(cè)量模塊經(jīng)過(guò)超聲波時(shí)差法原理進(jìn)行水流速度的測(cè)量。超聲波換能器的作用是在流體中發(fā)射與接收超聲波信號(hào)，測(cè)量順流與逆流方向的傳播時(shí)間差后，計(jì)算水流速度[4]。換能器性能直接影響測(cè)量精度。在超聲波信號(hào)的接收與發(fā)送過(guò)程中，信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和數(shù)字化處理。經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)被送人時(shí)間測(cè)量芯片進(jìn)行精確的時(shí)差測(cè)量。時(shí)間測(cè)量芯片的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)可確保微秒級(jí)別的時(shí)差測(cè)量，從而提供精確的流量計(jì)算結(jié)果。

電源模塊為電子水表提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，其采用低功耗設(shè)計(jì)，可保證長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。溫度檢測(cè)模塊則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體的溫度，保證測(cè)量系統(tǒng)能根據(jù)溫度變化對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)而提高測(cè)量精度。在流速與溫度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集完成后，MCU（微控制單元）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。MCU負(fù)責(zé)流速計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸，并經(jīng)過(guò)LCD顯示模塊將實(shí)時(shí)流量、溫度等信息展現(xiàn)給用戶(hù)，方便查看。按鍵模塊則允許用戶(hù)經(jīng)簡(jiǎn)單的交互操作查看歷史數(shù)據(jù)或調(diào)整設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳功能，電子水表還配備了NB-IoT無(wú)線通信模塊。該模塊借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)分析等功能。

3水表流體測(cè)量精度優(yōu)化

3.1測(cè)量序列濾波算法

濾波算法經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，去除異常值和噪聲，保證流速測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。濾波算法的流程如圖4所示，具體步驟包括計(jì)算順逆流時(shí)間差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，剔除高低4組數(shù)據(jù)，并最終求取剩余數(shù)據(jù)的平均值。濾波算法的核心思想是對(duì)采集到的多個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行排序，并剔除異常的高低值，保留大多數(shù)數(shù)據(jù)，從而有效降低誤差，提高測(cè)量的可靠性[5]。在應(yīng)用此方法時(shí)，首先對(duì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)的每次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行時(shí)差計(jì)算，得到順流和逆流的傳播時(shí)間差。對(duì)于每一組時(shí)間差數(shù)據(jù)，可以表示為式（2）。

式中： Δt_i 為第 i 次測(cè)量的時(shí)間差； 為第 i 次順流方向超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間; 為逆流方向超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。該計(jì)算過(guò)程可保證經(jīng)過(guò)時(shí)差的測(cè)量能夠反映流速的變化。接下來(lái)，對(duì)所有測(cè)得的時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，并將最大和最小的4組數(shù)據(jù)剔除，以減少極端值對(duì)最終測(cè)量結(jié)果的影響。該過(guò)程的目的是去除由管道內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性或外部干擾導(dǎo)致的異常值。剔除后的數(shù)據(jù)集用于計(jì)算流速的最終值。根據(jù)濾波算法，剩余數(shù)據(jù)的平均值可以表示為式（3）。

式中： Δt_avg 為剩余數(shù)據(jù)的平均時(shí)間差； N 為原始測(cè)量數(shù)據(jù)的總數(shù)，剔除最大和最小的4組數(shù)據(jù)后，剩余的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 N-8 ，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均后，可有效減少因外部擾動(dòng)引起的誤差，獲取一個(gè)更加可靠的測(cè)量值。在進(jìn)行濾波過(guò)程中，可能會(huì)遇到測(cè)量誤差對(duì)數(shù)據(jù)分布產(chǎn)生的影響。為進(jìn)一步優(yōu)化濾波效果，本研究采用加權(quán)平均的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)。具體的加權(quán)平均公式見(jiàn)式（4）。

式中： W_i 為第 i 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)重，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的置信度來(lái)分配。對(duì)較為可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)賦予更高的權(quán)重后，進(jìn)一步提高濾波效果，從而減小噪聲和干擾帶來(lái)的影響。濾波算法的最終目的是經(jīng)過(guò)去除不合理數(shù)據(jù)和噪聲，保留有效數(shù)據(jù)，從而提升水表流速測(cè)量的精度。

3.2誤差曲線修正算法

誤差曲線修正算法旨在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后，優(yōu)化測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，以彌補(bǔ)由各種因素引起的環(huán)境溫度變化、流體特性波動(dòng)和設(shè)備本身的非理想性能等系統(tǒng)誤差。誤差曲線修正算法依賴(lài)于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此需要在多種流速和流體條件下進(jìn)行測(cè)量，收集不同工況下的流量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于在不同溫度、壓力、流速范圍下的超聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的流量值。該算法基于這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)之間的差異，構(gòu)建誤差曲線模型。

本研究在誤差修正與數(shù)據(jù)校正階段對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，以消除因溫度波動(dòng)、管道表面粗糙度、氣泡干擾等因素帶來(lái)的誤差。當(dāng)超聲波測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到水流時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到流體中氣泡或湍流的影響，導(dǎo)致時(shí)差測(cè)量值與實(shí)際流速之間存在偏差。因此，誤差曲線修正算法根據(jù)已建立的誤差曲線模型，對(duì)每一次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，調(diào)整測(cè)得的時(shí)差值，并計(jì)算出更為準(zhǔn)確的流速。修正后的流速值與原始測(cè)量結(jié)果之間的差異可應(yīng)用修正系數(shù)進(jìn)行校正。修正系數(shù)根據(jù)誤差曲線模型自動(dòng)計(jì)算，確保每次流量測(cè)量都能根據(jù)實(shí)際流體特性進(jìn)行調(diào)整，而不是依賴(lài)固定的理論模型，從而提高了算法的準(zhǔn)確性。最終，經(jīng)過(guò)誤差修正的測(cè)量數(shù)據(jù)被傳送到水表的MCU（微控制單元），并由LCD顯示模塊展示給用戶(hù)。同時(shí)，修正后的數(shù)據(jù)還可經(jīng)過(guò)無(wú)線通信模塊（NB-IoT）上傳至智能水務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4智能水務(wù)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃

未來(lái)智能水務(wù)系統(tǒng)將圍繞技術(shù)革新、系統(tǒng)集成與生態(tài)協(xié)同等3方面進(jìn)行深度拓展，力求實(shí)現(xiàn)更加智能化和高效化的水資源管理。從新的前沿角度來(lái)看，智能水務(wù)系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)。首先，基于多傳感器融合技術(shù)的智能水表將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。未來(lái)的電子顯示水表將集成多種傳感器模塊，不限于流量、溫度等傳統(tǒng)測(cè)量維度，還將擴(kuò)展至水中溶解氧、濁度、離子濃度等水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)。其次，未來(lái)的水表硬件將內(nèi)置高性能嵌人式計(jì)算模塊，由邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地化處理與智能決策。這種水表設(shè)備能對(duì)流量異常、漏水事件等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與主動(dòng)告警，從而減少數(shù)據(jù)上傳至云端的延遲，提升響應(yīng)效率。這一趨勢(shì)將有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限區(qū)域的水務(wù)管理需求。最后，未來(lái)的智能水務(wù)系統(tǒng)還將深度融合物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能等新興技術(shù)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立水資源使用和分配的可信賬本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明化和不可篡改性。而人工智能模型的引入則可以進(jìn)行水務(wù)系統(tǒng)全生命周期的優(yōu)化管理。

5結(jié)語(yǔ)

本研究基于超聲波時(shí)差法原理，圍繞電子顯示水表的流體測(cè)量精度優(yōu)化，提出了測(cè)量序列濾波算法和誤差曲線修正算法，系統(tǒng)分析了流場(chǎng)特性對(duì)測(cè)量誤差的影響，完成了智能水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展方向的前瞻性規(guī)劃。研究結(jié)果為電子水表的高精度流體測(cè)量提供了重要技術(shù)支持。

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