智能水表优化计量与应用系统设计

　　1　引　言

　　由于阻力矩的存在造成水表的非线性偏差,通过对误差的分析和研究,提出对水表误差进行优化校正以实现精确计量的方法。

　　2　误差分析

　　水表在理想状态下,流量与转数有如下关系

　　但在现场中往往由于各种阻力、具体结构差异和机械因素的影响,使得水表实际特性与理想特性相比有一定误差,如图1所示。

　　由图1可见:由于阻力矩的存在,ω与Q只有在ω>ωF时才有线性关系,而且Q的线性区也存在　一个最大值(Qmax)。Qmax存在是由于Q> Qmax时由于流量过大,叶轮旋转角速度变快,使得流体对叶片的冲击作用减小。另外,叶片顶与外壳之间的空隙造成了泄漏量随流速的增加而加大,这样流量增加一定量所对应的转速的增量减少。从而ω与Q不呈线性关系。由此得到图2所示的N-Q曲线。

　　如果都按线性关系进行计量,势必使计量的可信度降低。因此如何处理这些非线性误差,对于提高水表在宽流量范围计量的准确性和精度十分关键。

　　3　优化处理

　　3.1　硬件法

　　对于水表的非线性校正可以采用以下方法:①分段逼近法。通过改变桥路电阻或改变前置放大器放大倍数,对非线性曲线分段折线逼近;②脉冲数字法。采用逻辑电路,用输出数字量的高位控制计数脉冲的频率,以分段完成线性化。此外,还有A/D转换同时线性化等。这些方法虽然可行,但通用程度差、调试困难,而且增加开支。

      3.2　软件法

　　通常的线性化方法有:一维查表法、插值法等。但这些方法都要占用一定的计算机内存,而且精度受所存储的分点个数影响。

　　因此采用回归分析去拟合相应的曲线,用拟合曲线代替相应的曲线,即可节省内存,又能提高精度。

　　具体步骤如下:

　　(1)找出相近的曲线回归方程:N = f(Q)。

　　(2)对回归曲线方程作变量变换化为直线模型:n = a+ bq(如对曲线方程N= a+ blgQ,可以取q =lgQ,n = a+ bq

(6)还原求解曲线回归方程。

　　由图2的N-Q曲线图可知,对水表只需将其QF以下的曲线A和QM以上的曲线B建立对应的曲线回归模型,就可实现高精度测量。回归曲线的求解完全可由计算机来完成,其具体的求解过程可用如图3所示的流程图表示。

　　在水表正式使用时,曲线A和曲线B为已知。在运行中,为了节省时间,充分利用水表的线性特性,水表在计量过程中,只需在N < NF和N > NM的部分代入拟合曲线A、B的方程,在NF< N < NM的线性部分仍按线性计算。这样既提高了了计量精度又充分利用了水表的线性特性。其具体实施过程如图4所示。