基于数据融合的超声波流量计流量测量方法技术

本发明专利技术涉及基于数据融合的超声波流量计流量测量方法。本发明专利技术兼具相关法和阈值法两种超声波传播时间检测方法所具有的优点，可以有效抵抗温度变化、老化等因素导致的信号幅值衰减和畸变问题，可以解决现有超声波流量计传播时间检测方法存在的抗干扰性能差的问题，提高流量计的抗干扰能力，增强流量测量结果的可靠性，提高测量准确度。提高测量准确度。提高测量准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于数据融合的超声波流量计流量测量方法


[0001]本专利技术属于超声波流量计
，涉及一种基于数据融合的超声波流量计流量测量方法。

技术介绍

[0002]超声波流量计以其非接触、压损小、量程宽等优点，在流量计量领域得到了大量应用。超声波流量计根据其原理，可分为传播时间差法、多普勒法、波束偏移法等类型，其中传播时间差法由于其实现简单，可应用于超纯液体等特点，应用最为广泛。采用传播时间差法的超声波流量计也称为时差式超声波流量计，基本的时差式超声波流量计实施方式如附图1和图2所示，在测量管1的对侧设置第一超声换能器2和第二超声换能器3，第一超声换能器2和第二超声换能器3对侧同心设置，超声换能器的轴线与测量管1的轴线成一锐角夹角；位于流体流动上游的第一超声换能器2发射超声波，穿过测量管1内的流体介质后被第二超声换能器3接收，此为超声波的顺流传播过程；位于流体流动下游的第二超声换能器3发射超声波，穿过测量管1内的流体介质后被第一超声换能器2接收，此为超声波的逆流传播过程；超声换能器接收到的超声信号，经过信号采集模块处理后送入数字信号处理模块进行流量计算；超声波的传播在顺流传播过程中被加速而在逆流过程中被减速，超声波传播速度被加速和减速的程度与流体的流速有关，通过测量超声波顺流和逆流的传播时间，可以计算出流体的流速，进而测量出流体的流量。
[0003]超声波信号传播时间的准确检测是保证时差式超声波流量计测量精度的关键，常用检测方法有阈值法、相关法、拟合法等。其中应用最广泛的是阈值法(例如专利技术专利：傅新，方泽华，毛凯，陈文昱，肖继伟，一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，中国专利技术专利，公开号CN 106932038 A，申请日2019.12.30)，其基本原理是将超声波信号与一个预设的阈值进行比较，当信号某个周期的幅值首次大于阈值后(将该周期称为触发周期)，开始检测超声波信号的过零点，根据过零点的位置确定该信号的传播时间。该方法一大优点是检测精度不受超声波形状变化的影响。该方法有两个缺点：一是检测到的时间精度仅取决于所用过零点的特性，精度易受噪声影响；二是检测到的时间与实际传播时间之间存在偏置，会影响测量性能(例如温度漂移)。另一个应用广泛的检测方法是相关法，其基本原理是将超声波信号与参考信号进行相关运算，计算互相关函数，根据函数值的峰值位置确定传播时间。该方法的特点是使用了超声波信号的全部信息，检测到的传播时间与信号实际传播时间之间无偏差，精度和稳定性较高，不受超声波信号幅值变化的影响。该方法的缺点是检测时间的精度受采样率和超声波信号形状变化的影响大。
[0004]现有的超声波流量计往往都单独选用某一种传播时间检测方式，对同一声道在短时间内进行多次顺流传播时间和逆流传播时间的检测，再进一步计算出流量数据。这样的方法虽然可以有效避免粗大误差，但仍然会保留所选传播时间检测方法的固有缺陷。

技术实现思路

[0005]专利技术的目的在于提供基于数据融合算法的超声波流量计流量测量方法，可以解决现有超声波流量计传播时间检测方法存在的抗干扰性能差的问题，从而提高流量检测的可靠性和检测结果的精度。本专利技术包括以下步骤：
[0006]S1：初始化系统，默认设置初始流量Q＝0；
[0007]S2：导入信号采集系统收到的超声波信号，对信号进行滤波、去偏置等预处理，记处理好的顺流超声波信号序列为x
d
(n)，逆流超声波信号序列为x
u
(n)，信号采样频率均为f
s
；
[0008]S3：使用相关法，计算出信号x
d
和x
u
对应的传播时间t
d1
和t
u1
，进一步计算出流量Q1；
[0009]S4：使用阈值法，计算出信号x
d
和x
u
对应的传播时间t
d2
和t
u2
，进一步可以计算出流量Q2；
[0010]S5：取出上次流量计算过程输出的流量值Q0，如果是第一次计算流量，则Q0取初始流量值；计算3个差值，依据判定条件，进行工况判定；
[0011]所述3个差值分别为Δ1＝|Q
1-Q0|，Δ2＝|Q
2-Q0|，Δ3＝|Q
1-Q2|；
[0012]假设流量计最大测量值为Q
max
，所述工况与对应的判定条件为：
[0013]工况一：Δ1≤0.1
·
Q
max
，且Δ2≤0.1
·
Q
max
；
[0014]工况二：Δ1≤0.1
·
Q
max
，且Δ2>0.1
·
Q
max
；
[0015]工况三：Δ1>0.1
·
Q
max
，且Δ2≤0.1
·
Q
max
；
[0016]工况四：Δ1>0.1
·
Q
max
，且Δ2>0.1
·
Q
max
，且Δ3≤0.1
·
Q
max
；
[0017]工况五：Δ1>0.1
·
Q
max
，且Δ2>0.1
·
Q
max
，且Δ3>0.1
·
Q
max
；
[0018]S6：根据判定结果，应用对应方法，计算本次检测结果流量Q；
[0019]具体为：
[0020]工况一：Q＝F1(Q0,Q1,Q2)，F1表示卡尔曼滤波器实现的数据融合算法，该算法以Q0作为状态变量，Q1,Q2均作为观测值；
[0021]工况二：Q＝F2(Q0,Q1)，F2表示卡尔曼滤波算法，该算法以Q0作为状态变量，Q1作为观测值；
[0022]工况三：Q＝F3(Q0,Q2)，F3表示卡尔曼滤波算法，该算法以Q0作为状态变量，Q2作为观测值；
[0023]工况四：Q＝F4(Q1,Q2)，F4表示卡尔曼滤波器实现的数据融合算法，该算法以Q1作为状态变量，Q2作为观测值；
[0024]工况五：Q＝Q0；
[0025]S7：等待下一组信号接收完成后按S1至S6步骤继续执行流量测量过程。
[0026]在步骤S3中，采集10对超声波顺逆流传播信号，使用相关法分别计算出10组超声波顺逆流传播时间，再分别取平均值后作为传播时间t
d1
和t
u1
。
[0027]在步骤S4中，采集10对超声波顺逆流传播信号，使用阈值法分别计算出10组超声波顺逆流传播时间，再分别取平均值后作为传播时间t
d2
和t
u2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数据融合的超声波流量计流量测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：初始化系统，默认设置初始流量Q＝0；S2：导入信号采集系统收到的超声波信号，对信号进行滤波、去偏置等预处理，记处理好的顺流超声波信号序列为x
d
(n)，逆流超声波信号序列为x
u
(n)，信号采样频率均为f
s
；S3：使用相关法，计算出信号x
d
和x
u
对应的传播时间t
d1
和t
u1
，进一步计算出流量Q1；S4：使用阈值法，计算出信号x
d
和x
u
对应的传播时间t
d2
和t
u2
，进一步可以计算出流量Q2；S5：取出上次流量计算过程输出的流量值Q0，如果是第一次计算流量，则Q0取初始流量值；计算3个差值，依据判定条件，进行工况判定；所述3个差值分别为Δ1＝|Q
1-Q0|，Δ2＝|Q
2-Q0|，Δ3＝|Q
1-Q2|；假设流量计最大测量值为Q
max
，所述工况与对应的判定条件为：工况一：Δ1≤0.1
·
Q
max
，且Δ2≤0.1
·
Q
max
；工况二：Δ1≤0.1
·
Q
max
，且Δ2＞0.1
·
Q
max
；工况三：Δ1＞0.1
·
Q
max
，且Δ2≤0.1
·
Q
max
；工况四：Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：付新，刘成卫，胡亮，刘伟庭，苏芮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：