一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，其步骤包括，步骤（1）时差信号测量：步骤（2）时差信号的滤波：步骤（3）累计流量的计算。本发明专利技术提出了测量噪声协方差和过程噪声协方差的更新方法，并由此提出了一种改进的卡尔曼滤波器。然后，针对时差法超声波流量计中时差信号的滤波，提出了基于改进卡尔曼滤波器的时差信号滤波方法，及给出了基于改进卡尔曼滤波器的时差法超声波流量测量方案。通过本发明专利技术提供的技术方案，明显地改善了时差法超声波流量计中时差信号的滤波效果，从而有效地提高了时差法超声波流量计的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法
本专利技术属于水表超声波流量计量领域，具体涉及一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，适用于各种管道中水流体的流量测量。
技术介绍
随着智慧水务和物联网技术的发展，超声波水表应运而生。与传统的机械水表相比，超声波水表具有非接触式、压损小、精度高、功耗低、使用寿命长等突出优点，必将成为下一代智能水表的重要选择。超声波水表所采用的超声波测量技术有多种方法，常用的测量方法有时差法、相关法、噪声法、多普勒法和波束偏移法等。时差法超声波测量的原理是：超声波信号在流体顺流与逆流传播时的传播速度不同，进而产生传播时间差值。由于时间差值的大小与流速大小有关，因此，通过测量时间差值的大小，就可以测量流体的流速。在超声波水表系统中，由于测量过程会引入噪声，使得测量结果与实际流速值产生一定偏差。偏差值的大小与流体中是否有气泡或颗粒物、超声波信号质量、电路板PCB布局、温度补偿超声波声速值误差、外部电磁干扰等有关。为了减少外部噪声对超声波水表的干扰，提高水表的精度，需要对测得的时差数据进行滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，其步骤包括，/n步骤(1)、时差信号测量：/n沿水流方向前后设置第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；规定换能器与反射片的距离为s，超声波在水中的速度为c，反射片与水平面夹角为45°，两反射片的中心距离为L，管道直径为D，水的正向流速即线速度v

【技术特征摘要】
1.一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，其步骤包括，
步骤(1)、时差信号测量：
沿水流方向前后设置第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；规定换能器与反射片的距离为s，超声波在水中的速度为c，反射片与水平面夹角为45°，两反射片的中心距离为L，管道直径为D，水的正向流速即线速度vl为v；
第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，则有：



通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，则有：



最后，获得时间差Δt＝t21-t12，根据式(1)和式(2)，可求得顺逆流时间差Δt：



步骤(2)、时差信号的滤波：
滤波处理是为了去掉原始数据中的随机误差，在超声波流量测量装置中，由于测量过程会引入外部噪声，使得测量结果与实际流速值产生一定偏差值，偏差值的大小与流体中是否有气泡或颗粒物、超声波信号质量、电路板PCB布局、温度补偿超声波声速值误差、外部电磁干扰等有关，为了减少外部噪声对超声波水表的干扰，提高水表的精度，需要对测得的时差数据进行滤波；
用xk表示k时刻的时差Δt(kT]的状态值，其中T为采样周期，具体如下：
xk＝Δt(kT]；
在卡尔曼滤波器中，系统状态方程如下：
xk＝Φk-1xk-1+wk-1，(4)；



式中，xk为k时刻的系统状态，xk-1为k-1时刻的系统状态，Φk-1为k-1时刻的状态转移矩阵，wk-1为k-1时刻的系统噪声，Qk为k时刻的系统噪声；
用zk表示时刻k时时差Δt(kT]的测量值，则时差Δt的测量方程如下：
zk＝Hkxk+vk，(6)；



式中，Hk表示k时刻的测量系统的参数，vk为k时刻的测量噪声，Rk为k时刻的测量噪声的协方差矩阵；
在系统中定义Φk-1＝1、Hk＝1，那么，时差数据的改进卡尔曼滤波方法如下；
(2.1)、初始条件计算：



式中，E[···]表示数学期望运算，表示0时刻的状态值，P0(+)表示0时刻的误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：江西中科智慧水产业研究股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36