CN104949724A - 超声波计量仪表的动态计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波计量仪表的动态计量方法，包括如下步骤：（A）第i次电路采样结束得到采样时差 ；（B）根据采样时差以及下列方程得到第i次对应的采样系数；（C）根据第i-1次采样系数和第i次采样系数判断流量突变情况：若跳变，则调整采样频率并进入步骤E；否则进入步骤D；（D）求平均得到采样时差滤波平均值，计算第i次采样的偏差百分比f：根据f大于调整频率；（E）计算得到第i次采样体积量。在计量流量的同时，不断对下一次采样频率进行调整，保证系统的测量精度；同时，采样频率时刻调整，使得系统的能耗在一个合理的范围内，与持续高频采样相比，大大降低了系统功耗。

Description

超声波计量仪表的动态计量方法

技术领域

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波计量仪表的动态计量方法。

背景技术

超声波计量仪表是一种采用全电子式原理进行流体流量检测的仪表，流量计量的精度与信号采样时间间隔，即采样频率（或采样周期）有关，相邻两次信号采样的时间间隔越短，仪表对流体流量变化的的反应越灵敏，相应的在流量突发变化或持续波动条件下计量精度越；然而过高的采样频率会使得仪表的功耗提高，尤其是对于使用电池供电的流量仪表，更需要在计量精度与功耗间寻求平衡。目前，电池供电超声波计量仪表多采用固定采样频率的方式，通过实验确定一个满足计量精度要求的较小的固定采样频率，使仪表功耗降至一个比较低的值，这种方法可以使得仪表在标准工况或实验条件下达到较高的计量精度，然后在实际工况下，其累积运行误差会逐渐增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗的超声波计量仪表的动态计量方法，保证系统的测量精度。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种超声波计量仪表的动态计量方法，包括如下步骤：

（A）第i次电路采样结束得到采样时差                                                ；

（B）根据采样时差以及下列方程得到第i次对应的采样系数：

，式中；

（C）根据第i-1次采样系数和第i次采样系数判断流量突变情况：若流量由低流量区域向高流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最低采样频率进行采样并进入步骤E；若流量由高流量区域向低流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最高采样频率进行采样并进入步骤E；若流量未发生跳变，则直接进入步骤D；

（D）对第（i-m）至第i次采样时差，…，求平均得到采样时差滤波平均值，按下列公式计算第i次采样的偏差百分比f：

若f大于设定阈值f₀，则流量存在波动，提高下次采样时的频率；若f小于等于设定阈值f₀，则流量稳定，降低下次采样时的频率；

（E）按下列公式计算得到第i次采样体积量：

其中k为速度分布系数、L为声道长度、c为超声波在测量介质中的传播速度、S为计量管段特征截面积、为第i次采样周期。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过引入采样系数、偏差百分比f这两个参数，使得在计量流量的同时，对系统流量的波动有个直观的测量，并根据这两个参数的大小，对下一次采样频率进行调整，保证系统的测量精度；同时，采样频率时刻调整至较为合理的一个数值，使得系统的能耗在一个合理的范围内，与持续高频采样相比，大大降低了系统功耗。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2-图12是本发明设定不同参数后针对不同流量进行实验的曲线图。

具体实施方式

下面结合图1至图12，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，一种超声波计量仪表的动态计量方法，包括如下步骤：

（A）第i次电路采样结束得到采样时差；

（B）根据采样时差以及下列方程得到第i次对应的采样系数：

，式中；

步骤B中，若需要提高系统对流量突变的响应速度，可增大系数a的数值，提高采样系数的收敛速度；反之若需降低系统对流量突变的响应速度，可减小系数a的数值，降低数组的收敛速度。一般系数a的数值选取在0.8至0.99之间较为合适。

（C）根据第i-1次采样系数和第i次采样系数判断流量突变情况：若流量由低流量区域向高流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最低采样频率进行采样并进入步骤E；若流量由高流量区域向低流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最高采样频率进行采样并进入步骤E；若流量未发生跳变，则直接进入步骤D；

（D）对第（i-m）至第i次采样时差，…，求平均得到采样时差滤波平均值，按下列公式计算第i次采样的偏差百分比f：

若f大于设定阈值f₀，则流量存在波动，提高下次采样时的频率；若f小于等于设定阈值f₀，则流量稳定，降低下次采样时的频率；

（E）按下列公式计算得到第i次采样体积量：

其中k为速度分布系数、L为声道长度、c为超声波在测量介质中的传播速度、S为计量管段特征截面积、为第i次采样周期。

在上述步骤中，引入与采样时差相关联的采样系数，再根据前一次和本次的采样系数的大小来判断流量是否发生突变，再根据突变的具体情况对下一次的采样频率进行调整，以适应流量突变的情况。当流量未发生突变，再根据采样时差滤波平均值来对采样频率进行微调，保证采样频率与当前的流量相吻合，且处在一个合适的采样频率上。

具体地，对于流量的突变有多种判定方式，这里提供一种较为优选的实施方式，所述的步骤C中，按如下步骤判断流量突变情况：（C1）定义采样系数边界常数和，其中；（C2）若，则判断流量由高流量区域向低流量区域跳变；若，则判断流量由低流量区域向高流量区域跳变。通过设定采样系数边界常数和，来判定流量的突变情况。其中，数值越大，系统由最低采样频率向最高采样频率转换的速度越快，数值越小，系统由最高采样频率向最低采样频率转换的速度越快。

参阅图2、图3，这里给出了两种系统的实测数据，分别代表流量由低流量区域向高流量区域跳变以及由高流量区域向低流量区域跳变两种典型情况下的采样周期调整情况。其中，系统的最大采样周期为1s，最低采样周期为0.1s，取a＝0.9，，，图中横坐标分度为0.1s。图2中流量是从0.020m³/h突然增大至1.8m³/h，从图中可以看出，前13次采样对应的采样系数均小于1200，系统按最低采样周期0.1s进行告诉采样检测，从第14次采样开始其对应的采样系数大于1200，系统自动切换为最高采样周期1s进行低速采样。图3中流量是从1.8m³/h突然间小至0.020m³/h，由图中可以看出，前8次采样对应的采样系数均大于800，系统按最高采样周期1s进行低速采样检测，从第9次采样开始其对应的采样系数小于800，系统自动切换为最低采样周期0.1s进行告诉采样。通过这个实验我们可以看到，本系统能够根据流量突变情况，自动调节采样频率，降低系统功耗且不会损失精度。

优选地，包括采样队列数组A[]，10≤采样队列数组A[]的长度≤20，A[j]为采样队列数组A[]中第j个数据元素；所述的步骤C中，若流量由低流量区域向高流量区域跳变或者流量由高流量区域向低流量区域跳变，将采样队列数组A[]中所有元素重置为0；所述的步骤D中，m等于采样队列数组A[]的长度且按如下公式求得：

m也即采样队列数组A[]的长度一般设置在12至20之间。且在求的 后按如下方式更新采样队列数组A[]：，，…，，。通过设置采样队列数组A[]，方便求取采样时差滤波平均值值，方便进行下一步的计算。

优选地，包括采样周期调整系数p，所述的p取1，2，3，…，p_MAX中任一整数；步骤C中，若流量由低流量区域向高流量区域跳变，则令p＝p_MAX并进入步骤E；若流量由高流量区域向低流量区域跳变，则令p＝1并进入步骤E；所述的步骤E之后还包括步骤F：（F）确定第i+1次采样周期，式中即系统预设的最高采样频率所对应的采样周期。这里通过引入采样周期调整系数p，以方便步骤C、步骤D中，对采样周期或采样频率进行量化调整。

作为本发明的优选方案，所述的步骤D中，设定阈值f₀的取值范围为5%~10%，提高下次采样时的频率即：当p＝1时，p不变，当p＞1时，令p自减1；降低下次采样时的频率即：当p＝p_MAX时，p不变，当p＜p_MAX时，令p自加1。这里每次增加或减少一个固定的数值，保证调节过程的可计量、可控。

参阅图4、图5，这里给出了两种系统的实测数据，分别代表大流量较大波动和小流量较小波动两种典型情况下的采样周期调整情况。取0.1s，即最大采样周期为1s，最小采样周期为0.1s，在这两个检测实例中，波动判断阈值f₀为8%。

图4中，流量在1.6m³/h至2.3m³/h间波动变化，截取连续10次采样计算结果如下：

从图4以及上表可以看出，此状态下流量波动较为剧烈，系统会依据采样结果实时调整采样周期，且采样周期存在从最高值逐渐调整降低的趋势。

图5中，流量在0.02m³/h附近微小波动，截取连续10次采样计算结果如下：

由图5以及上表可以看出，此状态下流量较为平稳，采样系统周期存在从最低值逐渐调整提高的趋势，其中第6次及第7次采样结果波动较大，系统采样周期短时调整降低，之后采样结果回归平稳，系统采样周期继续调整提高。

所述的步骤E中，包括采样特征流量Q，第i次采样特征流量按如下公式计算得到：

第i次采样体积量按如下公式计算得到：

体积量的计算采用线性插值的方法，保证流量在存在持续变化情况下的体积计算精度。所述的步骤E中，计算得到后，还执行如下步骤：（E'）若，则判定当前流量处于零流量状态，此时当p＝p_MAX时，p不变，当p＜p_MAX时，令p自加1。这里主要是在零流量的时候，提高采样周期，降低系统功耗。

针对本发明的优选的实施例，下面对其在不同状态下进行了连续的检测，实验流量按零流量、小流量稳定、大流量稳定、小流量波动、大流量波动、小流量稳定以及零流量的顺序依次连续进行，总实验时间3分钟，系统按T₀等于1s的情况进行配置。另外，还分别对0.1s固定采样周期、可变采样周期（即本方法）、1s固定采样周期三种配置情况下对应的流量示值误差以及总采样次数进行了统计。

图6为阶段1，0-45s，零流量的状态；图7为阶段2，45-90s，流量增大至0.02m³/h并保持稳定；图8为阶段3，90-110s，流量增大至1.8m³/h并保持稳定；图9为阶段4，110-120s，流量在3.0m³/h至1.0m³/h间波动；图10为阶段5，120-150s，流量稳定在3.0m³/h；图11为阶段6，150-158s，流量在0.04m³/h至0.06m³/h间波动；图12为阶段7，158-180s，流量稳定在0.05m³/h，之后关闭流量，结束测试。测量完毕后，再以固定采样周期进行测量，最后得到下表数据：

可以看出，若使用0.1s的固定采样周期，示值误差在0.5%以内，计量精度高，然而其总计采样高达1800次，功耗较高；若使用1s的固定采样周期，总计采样次数仅为180次，功耗降低，然而示值误差高于1%，计量精度下降严重；采用本专利所述的可变采样周期方法，与0.1s固定采用周期相对比，总采样次数仅为其1/8，计量精度下降0.3%；与1s固定采用周期相对比，总采样次数为其1.25倍，计量精度却提高了0.8%，可使产品的流量计量精度在保证最大允许误差要求的前提下以极小的精度损失换取系统功耗显著降低，提升供电电池使用寿命。

Claims (6)

1.一种超声波计量仪表的动态计量方法，包括如下步骤：

（A）第i次电路采样结束得到采样时差 ；

（B）根据采样时差以及下列方程得到第i次对应的采样系数：

，式中；

（C）根据第i-1次采样系数和第i次采样系数判断流量突变情况：若流量由低流量区域向高流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最低采样频率进行采样并进入步骤E；若流量由高流量区域向低流量区域跳变，则下次采样使用系统预设的最高采样频率进行采样并进入步骤E；若流量未发生跳变，则直接进入步骤D；

（D）对第（i-m）至第i次采样时差，…，求平均得到采样时差滤波平均值，按下列公式计算第i次采样的偏差百分比f：

若f大于设定阈值f₀，则流量存在波动，提高下次采样时的频率；若f小于等于设定阈值f₀，则流量稳定，降低下次采样时的频率；

（E）按下列公式计算得到第i次采样体积量：

其中k为速度分布系数、L为声道长度、c为超声波在测量介质中的传播速度、S为计量管段特征截面积、为第i次采样周期。

2.如权利要求1所述的超声波计量仪表的动态计量方法，其特征在于：所述的步骤C中，按如下步骤判断流量突变情况：

（C1）定义采样系数边界常数和，其中；

（C2）若，则判断流量由高流量区域向低流量区域跳变；若，则判断流量由低流量区域向高流量区域跳变。

3.如权利要求1所述的超声波计量仪表的动态计量方法，其特征在于：包括采样队列数组A[]，10≤采样队列数组A[]的长度≤20，A[j]为采样队列数组A[]中第j个数据元素；

所述的步骤C中，若流量由低流量区域向高流量区域跳变或者流量由高流量区域向低流量区域跳变，将采样队列数组A[]中所有元素重置为0；

所述的步骤D中，m等于采样队列数组A[]的长度且按如下公式求得：

且在求的后按如下方式更新采样队列数组A[]：

，，…，，。

4.如权利要求1所述的超声波计量仪表的动态计量方法，其特征在于：包括采样周期调整系数p，所述的p取1，2，3，…，p_MAX中任一整数；步骤C中，若流量由低流量区域向高流量区域跳变，则令p＝p_MAX并进入步骤E；若流量由高流量区域向低流量区域跳变，则令p＝1并进入步骤E；所述的步骤E之后还包括步骤F：

（F）确定第i+1次采样周期，式中即系统预设的最高采样频率所对应的采样周期。

5.如权利要求4所述的超声波计量仪表的动态计量方法，其特征在于：所述的步骤D中，设定阈值f₀的取值范围为5%~10%，提高下次采样时的频率即：当p＝1时，p不变，当p＞1时，令p自减1；降低下次采样时的频率即：当p＝p_MAX时，p不变，当p＜p_MAX时，令p自加1。

6.如权利要求4所述的超声波计量仪表的动态计量方法，其特征在于：所述的步骤E中，包括采样特征流量Q，第i次采样特征流量按如下公式计算得到：

第i次采样体积量按如下公式计算得到：

所述的步骤E中，计算得到后，还执行如下步骤：

（E'）若，则判定当前流量处于零流量状态，此时当p＝p_MAX时，p不变，当p＜p_MAX时，令p自加1。