一种超声波计量数据处理方法

技术领域

本发明属于超声波计量领域，具体涉及一种超声波计量数据处理方法。

背景技术

超声波测量管道是基于超声波时差法以及超声波换能器对射安装的方式来实现流量测量，其工作原理见图1所示，当发射出的超声波在顺流转换器和逆流转换器之间传输时，通过测量顺、逆流的传播时间及时间差t，结合管道过流截面积相关参数，求得流体的流量，正、逆向传播时间、时间差、线平均

流速和流量值的计算见式(1.1)～式(1.3)。

由式(1.1)变形处理得

所有流量值

式中：t

t

t

Δt—超声波正、逆向传播时间差；

v—流体线平均流速；

q

c—超声波的传播速度；

D—管道直径；

k—修正系数。

水表计量过程中流量的跳动，会影响计量的稳定性，并引起水表测量值滞后，出现瞬时流量延迟现象。

基于此，申请人考虑设计一种能够提高水表测量的稳定性，解决水表显示滞后的问题，防止水表出现瞬时流量延迟现象的超声波计量数据处理方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够提高水表测量的稳定性，解决水表显示滞后的问题，防止水表出现瞬时流量延迟现象的超声波计量数据处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种超声波计量数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、根据时间测量频率n来设定当前数据伸缩窗口的窗口最小值qmin和窗口最大值pmax；

第二步、根据流量的变化量求得数据伸缩窗口的存数用窗口个数：

以分界流量Q2和初始流量Q1作为基准点，

当流量的变化量Qn高于等于A倍分界流量Q2时，存数用窗口个数＝qmin；

当流量的变化量Qn低于等于初始流量Q1时，存数用窗口个数＝pmax；

当流量的变化量Qn大于初始流量Q1且小于A倍分界流量Q2时，存数用窗口个数＝qmin+((Q1+A*Q2)/Qn)*pmax的值取整；

以上A为正整数；

第三步、通过超声波水表内的时间测量芯片获取超声波的飞行时间，采用卡尔曼滤波方程算得当前最优估计值并按照实时流量的变化量Qn对应的存数用窗口个数按FIFO的原则依次存入数据，各个数据为通过卡尔曼滤波方程滤波得到滤波过后的超声波飞行时间；

第四步、将第三步中的存数用窗口个数中存储的数值累加求和后再求平均值作为新的超声波的飞行时间；

第五步、利用第四步中的新的超声波的飞行时间，根据流量值计算公式计算获得实时流量值。

同现有技术相比较，本发明超声波计量数据处理方法具有优点是：

本发明专利公开了一种超声波换能数据处理算法，其中包括利用卡尔曼滤波方程求得最优预估值后，通过设计的数据伸缩窗口来对数据进行处理。根据超声波水表内的时间测量芯片回传的时间数据，通过采集时间的滤波和平滑处理，解决了水表测量过程中流量的瞬时跳动出现的计量滞后与不准等问题，提高了水表测量的稳定性，数据伸缩窗口的运用，解决了水表显示滞后的问题，防止水表出现瞬时流量延迟现象，提升了水表计量结果输出显示的准确性和实时性。

附图说明

图1为超声波计量工作原理示意图。

图2为本发明超声波计量数据处理方法的工作流程图。

图3为本发明与现有技术的对比使用效果图(其中的“超声波的飞行时间”为t

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图2和图3所示，

一种超声波计量数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、根据时间测量频率n来设定当前数据伸缩窗口的窗口最小值qmin和窗口最大值pmax；

第二步、根据流量的变化量求得数据伸缩窗口的存数用窗口个数：

以分界流量Q2和初始流量Q1作为基准点，

当流量的变化量Qn高于等于A倍分界流量Q2时，存数用窗口个数＝qmin；

当流量的变化量Qn低于等于初始流量Q1时，存数用窗口个数＝pmax；

当流量的变化量Qn大于初始流量Q1且小于A倍分界流量Q2时，存数用窗口个数＝qmin+((Q1+A*Q2)/Qn)*pmax的值取整；

以上A为正整数3；

第三步、通过超声波水表内的时间测量芯片获取超声波的飞行时间，采用卡尔曼滤波方程算得当前最优估计值并按照实时流量的变化量Qn对应的存数用窗口个数按FIFO的原则依次存入数据，各个数据为通过卡尔曼滤波方程滤波得到滤波过后的超声波飞行时间；

第四步、将第三步中的存数用窗口个数中存储的数值累加求和后再求平均值作为新的超声波的飞行时间；

第五步、利用第四步中的新的超声波的飞行时间，根据流量值计算公式计算获得实时流量值。

其中，第三步中的卡尔曼滤波方程得出当前最优估计值：

卡尔曼滤波方程如下所示：

x_mid＝x_last；

p_mid＝p_last+Q；

kg＝p_mid/(p_mid+R)；//kg为kalman filter，R为噪声

x_now＝x_mid+kg*(time-x_mid)；//估计出的最优值

p_now＝(1-kg)*p_mid；//最优值对应的协方差

p_last＝p_now；//更新协方差值

x_last＝x_now；//更新系统状态值

上述卡尔曼滤波方程中：

x_mid为预估系统状态值

p_mid为预估系统状态值对应的协方差

x_last＝x(k-1|k-1),x_mid＝x(k|k-1)

p_mid＝p(k|k-1),p_last＝p(k-1|k-1)

kg为kalman filter

x_now为估计出的最优值

p_now为最优值对应的协方差

p_last为更新协方差值

x_last为更新系统状态值

噪声值Q和噪声值R各自为根据实验测量出来的值。

其中，第一步中：

窗口最小值qmin＝2*n+1

窗口最大值pmax＝10*n

其中，n为时间测量频率。

由图3所示，可以看出，利用使用本技术方案的数据处理方法过后，超声波的飞行时间(超声波正向传播时间或超声波逆向向传播时间中的一种)明显平滑了很多，超声波的飞行时间更为稳定连续，无瞬时波动大、瞬时延迟的现象。进而可使得水表测量与显示不再滞后，避免了水表出现瞬时流量延迟现象，既满足计算实时性要求又满足显示实时性要求。

通过本技术方案算得的更新超声波正向传播时间和超声波逆向向传播时间，后根据流量值计算公式计算获得实时流量值，再通过一个伸缩的数据窗口显示最后的流量值数据。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出的是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，作出的若干变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。