面向智能水務系統的電子顯示水表流體測量精度優化研究

中圖分類號：TP399；TH814.2 文獻標志碼：A 文章編號：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字化進程的加速，智能水務系統已成為未來水資源高效調度與精準監控的基本方向。作為智能水務系統的核心終端設備，電子顯示水表在流體測量精度、實時數據采集及傳輸方面扮演著重要角色[。然而，復雜流場條件下流量測量的非線性誤差和系統噪聲仍是影響水表性能的主要瓶頸。因此，本研究通過深入分析電子水表的流體測量精度優化方法，構建更加高效、精準和智能化的測量模型，以提升智能水務系統的整體運行效能。

1超聲波流體測量原理

1.1時差法測量原理

在超聲波流體測量中，時差法是經過測量聲波在流體中傳播時間差來推算流速的一種方法[2]。具體而言，時差法利用聲波通過流體傳播時，聲波在順流方向與逆流方向的傳播時間不同的特點來進行測量工作。管道內部結構如圖1所示。圖1中，管道內流體的流速為V，流體經過長度為 L 的管段。在管道兩端分別安裝換能器，向管道內發射超聲波，聲波分別沿著順流和逆流方向傳播。假設流體的流速為 V ，聲波傳播速度為C ，流體的流速方向會影響聲波的傳播時間，順流方向的傳播時間較短，逆流方向的傳播時間較長。時差法核心在于測量聲波在順流和逆流方向上的傳播時間差 Δt ，結合管道長度 L 及聲波傳播速度 C 計算流速 V ，具體見式（1）。

式中： Δt 為測得的時間差； L 為管道長度； C 為聲波傳播速度。由于流體流速較小，時差法對流體的流速變化敏感，因此能提供較高的流速測量精度。換能器與反射片的布置進一步保證了聲波信號的準確接收與反射，減少了系統誤差對測量精度的影響[3]。

流體在管道內的流動狀態呈現多層次結構，主要分為管壁附近的緩沖層、湍流中心和層流內層。穩態湍流流態分布如圖2所示。由圖2可知，流體流經管道時，由于流體與管壁的摩擦作用，管道壁面附近會形成一層黏性流體層，稱為緩沖層。緩沖層內的流速梯度較大，流體流動較為復雜。在緩沖層內，流體速度逐漸從管壁的零速處增加，直到達到近管道中心的最大流速。在湍流區域，流體的流動呈現高度不規則的運動狀態，流速分布呈現較大的波動性和湍流結構。湍流中心區域的流速變化對超聲波信號傳播產生較大影響，容易引起測量誤差。層流內層流體的流速呈現線性分布，流速最大值出現在管道中心，逐漸向管壁過渡至零速。由于層流狀態下流體的運動較為平穩，聲波在此區域的傳播較為穩定，適合進行超聲波流速測量。為提高流量測量的精度，電子水表中的超聲波換能器應當盡量避開湍流中心，集中于層流內層或緩沖層的測量，以減少湍流波動帶來的誤差影響。

2電子顯示水表流體測量硬件

電子顯示水表流體測量硬件框架如圖3所示。流速測量模塊經過超聲波時差法原理進行水流速度的測量。超聲波換能器的作用是在流體中發射與接收超聲波信號，測量順流與逆流方向的傳播時間差后，計算水流速度[4]。換能器性能直接影響測量精度。在超聲波信號的接收與發送過程中，信號處理模塊對信號進行放大、濾波和數字化處理。經過處理后的信號被送人時間測量芯片進行精確的時差測量。時間測量芯片的高精度時鐘系統可確保微秒級別的時差測量，從而提供精確的流量計算結果。

電源模塊為電子水表提供穩定的電力供應，其采用低功耗設計，可保證長時間的穩定運行。溫度檢測模塊則實時監測流體的溫度，保證測量系統能根據溫度變化對超聲波傳播速度進行溫度補償，進而提高測量精度。在流速與溫度的基礎數據采集完成后，MCU（微控制單元）對數據進行統一處理。MCU負責流速計算、數據存儲與傳輸，并經過LCD顯示模塊將實時流量、溫度等信息展現給用戶，方便查看。按鍵模塊則允許用戶經簡單的交互操作查看歷史數據或調整設定。為實現遠程監控與智能水務系統的數據上傳功能，電子水表還配備了NB-IoT無線通信模塊。該模塊借助蜂窩網絡將實時數據傳輸至后臺管理系統，具有遠程監測、故障報警、數據分析等功能。

3水表流體測量精度優化

3.1測量序列濾波算法

濾波算法經過對測量數據的處理，去除異常值和噪聲，保證流速測量數據的準確性。濾波算法的流程如圖4所示，具體步驟包括計算順逆流時間差，對數據進行排序，剔除高低4組數據，并最終求取剩余數據的平均值。濾波算法的核心思想是對采集到的多個測量結果進行排序，并剔除異常的高低值，保留大多數數據，從而有效降低誤差，提高測量的可靠性[5]。在應用此方法時，首先對超聲波測量系統的每次測量結果進行時差計算，得到順流和逆流的傳播時間差。對于每一組時間差數據，可以表示為式（2）。

式中： Δt_i 為第 i 次測量的時間差； 為第 i 次順流方向超聲波信號的傳播時間; 為逆流方向超聲波信號的傳播時間。該計算過程可保證經過時差的測量能夠反映流速的變化。接下來，對所有測得的時間差數據進行排序，并將最大和最小的4組數據剔除，以減少極端值對最終測量結果的影響。該過程的目的是去除由管道內流動不穩定性或外部干擾導致的異常值。剔除后的數據集用于計算流速的最終值。根據濾波算法，剩余數據的平均值可以表示為式（3）。

式中： Δt_avg 為剩余數據的平均時間差； N 為原始測量數據的總數，剔除最大和最小的4組數據后，剩余的數據個數為 N-8 ，對這些數據進行加權平均后，可有效減少因外部擾動引起的誤差，獲取一個更加可靠的測量值。在進行濾波過程中，可能會遇到測量誤差對數據分布產生的影響。為進一步優化濾波效果，本研究采用加權平均的方式來處理數據。具體的加權平均公式見式（4）。

式中： W_i 為第 i 個測量數據的權重，根據測量點的置信度來分配。對較為可靠的測量數據賦予更高的權重后，進一步提高濾波效果，從而減小噪聲和干擾帶來的影響。濾波算法的最終目的是經過去除不合理數據和噪聲，保留有效數據，從而提升水表流速測量的精度。

3.2誤差曲線修正算法

誤差曲線修正算法旨在對測量數據進行校正后，優化測量結果的準確性，以彌補由各種因素引起的環境溫度變化、流體特性波動和設備本身的非理想性能等系統誤差。誤差曲線修正算法依賴于大量的試驗數據，因此需要在多種流速和流體條件下進行測量，收集不同工況下的流量數據。這些數據包括但不限于在不同溫度、壓力、流速范圍下的超聲波時差數據，以及對應的流量值。該算法基于這些試驗數據，通過擬合試驗數據和理想數據之間的差異，構建誤差曲線模型。

本研究在誤差修正與數據校正階段對實時測量的時差數據進行誤差修正，以消除因溫度波動、管道表面粗糙度、氣泡干擾等因素帶來的誤差。當超聲波測量系統檢測到水流時，測量結果會受到流體中氣泡或湍流的影響，導致時差測量值與實際流速之間存在偏差。因此，誤差曲線修正算法根據已建立的誤差曲線模型，對每一次測量結果進行修正，調整測得的時差值，并計算出更為準確的流速。修正后的流速值與原始測量結果之間的差異可應用修正系數進行校正。修正系數根據誤差曲線模型自動計算，確保每次流量測量都能根據實際流體特性進行調整，而不是依賴固定的理論模型，從而提高了算法的準確性。最終，經過誤差修正的測量數據被傳送到水表的MCU（微控制單元），并由LCD顯示模塊展示給用戶。同時，修正后的數據還可經過無線通信模塊（NB-IoT）上傳至智能水務系統，實現遠程監控。

4智能水務系統未來發展規劃

未來智能水務系統將圍繞技術革新、系統集成與生態協同等3方面進行深度拓展，力求實現更加智能化和高效化的水資源管理。從新的前沿角度來看，智能水務系統將呈現以下趨勢。首先，基于多傳感器融合技術的智能水表將成為未來發展的重點。未來的電子顯示水表將集成多種傳感器模塊，不限于流量、溫度等傳統測量維度，還將擴展至水中溶解氧、濁度、離子濃度等水質參數監測。其次，未來的水表硬件將內置高性能嵌人式計算模塊，由邊緣計算技術實現數據的本地化處理與智能決策。這種水表設備能對流量異常、漏水事件等情況進行實時分析與主動告警，從而減少數據上傳至云端的延遲，提升響應效率。這一趨勢將有效解決偏遠地區或網絡覆蓋有限區域的水務管理需求。最后，未來的智能水務系統還將深度融合物聯網、區塊鏈和人工智能等新興技術。利用區塊鏈技術建立水資源使用和分配的可信賬本，實現數據的透明化和不可篡改性。而人工智能模型的引入則可以進行水務系統全生命周期的優化管理。

5結語

本研究基于超聲波時差法原理，圍繞電子顯示水表的流體測量精度優化，提出了測量序列濾波算法和誤差曲線修正算法，系統分析了流場特性對測量誤差的影響，完成了智能水務系統發展方向的前瞻性規劃。研究結果為電子水表的高精度流體測量提供了重要技術支持。

參考文獻：

[1]雷曉霞，梁騫，徐瓚.智慧水務系統在城市水資源管理中的應用[J].中國戰略新興產業，2024（33）：188-190.

[2]張璐晶，張偉，譚澄，等.基于新型智能控制系統的污水智慧管理：創新與實踐[J].環境工程學報，2024，18（6）：1732-1737.

[3]徐東文，賀惠.水利工程信息化與城市水務智能管理系統集成研究[J].信息與電腦（理論版），2024，36（12）：168-171.

[4邢耀輝.智能水表在智慧水務系統中的應用分析[J].水上安全，2024（11）：52-54.

[5]權亞強，梁永增.基于智能水表管理的智慧用水物聯網系統設計[J].城鎮供水，2024（2）：98-102.