CN113029263B - 基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统 - Google Patents

基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的，基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统，运用于超声波燃气表，根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，每隔t秒采样一次瞬时流速；将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除和替换得到校正流速；基于所有校正流速计算出燃气的损失流量，通过样本方差剔除误差模型判断出瞬时流速的偏移具体是正常的偶然误差，还是由于调节了燃气流量引起的，然后针对这两种情况进行不同的补正对误差值进行误差剔除，并用稳定的量替换误差量，避免数据丢失，计量的燃气损失流量准确度高。

Description

基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统
技术领域
本发明涉及超声波燃气计量技术领域，具体涉及基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统。
背景技术
随着燃气计量领域对燃气计量精度的要求越来越高，超声波燃气表正在兴起。超声波燃气表与膜式燃气表相比，具有量程宽、体积小、结构简单、计量精度高、稳定性好等优点超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度等优势，成为燃气计量领域的研究热点。
超声波燃气表计量原理是利用超声波在燃气顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。在不考虑声速受管道内环境的影响下，面平均流速的估计主要受上飞时间和下飞时间的时间差ΔT控制。受限于超声波换能器的性能和硬件成本，ΔT的精确估计不能仅仅依靠提高采样密度至目标粒度。因此，因此需要利用互相关曲线的频谱完成ΔT的精确估计。
然而ΔT的估值会受到燃气流速的影响，ΔT随着燃气流速的波动而波动，进而在燃气表测定燃气总的损失流量时会有很大误差，影响燃气表的计量准确度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统，通过样本方差剔除误差模型对误差进行替换工作，以正常量替换丢失量，提高燃气表的计量准确度。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，运用于超声波燃气表，包括以下步骤：
S1.根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
S2.根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，每隔t秒采样一次瞬时流速；
S3.将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除和替换得到校正流速；
S4.基于所有校正流速计算出燃气的损失流量。
进一步优化方案为，S1具体包括以下步骤：
先所述上飞信号和下飞信号分别作傅里叶变换；
再根据上飞信号、下飞信号的傅里叶变换结果计算得到互相关曲线的频谱。
进一步优化方案为，S1具体包括以下步骤：基于互相关曲线的频谱得到超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown；
基于超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown根据燃气平均速度公式计算出封闭管道中燃气的平均速度Vm；
基于平均速度Vm与管道横截面面积得到燃气的瞬时流量。
进一步优化方案为，燃气平均速度公式为：
Figure BDA0002990803870000021
式中，
Figure BDA0002990803870000022
为声道角。
10.进一步优化方案为，S3包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束。
根据权利要求5所述的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，其特征在于，所述历史均值方差判定模型为：计算出历史采样瞬时流速的均值和方差，以均值与方差的和作为上限，以均值与方差的差作为下限；
当采样瞬时流速大于上限或小于下限时，判定采样瞬时流速偏离历史均值方差判定模型；
采样瞬时流速大于上限与采样瞬时流速小于下限为相反的两个偏离方向。
进一步优化方案为，S4具体包括步骤：
基于所有校正流速得到校正流速-时间曲线图；
求取校正流速-时间曲线与时间轴的面积得到燃气的损失流量。
基于上述基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，本方案提供基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定系统，包括：频谱获取模块、瞬时流量计算模块、采样模块、误差提出模块和损失流量计算模块；
频谱获取模块根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
瞬时流量计算模块根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，采样模块每隔t秒采样一次瞬时流速得到采样瞬时流速；
误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速；
损失流量计算模块基于所有校正流速计算出燃气的损失流量。
进一步优化方案为，误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速，具体包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束。
本发明工作原理：超声波燃气表利用超声波在燃气顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。在不考虑声速受管道内环境的影响下，管道面平均流速的估计主要受超声波飞行时间tup和下飞行时间tdown的时间差ΔT控制，完成ΔT的精确估计需要利用互相关曲线的频谱，然而ΔT的估值会受到燃气流速的影响，ΔT随着燃气流速的波动而波动，在燃气表测定燃气总的损失流量时会有很大误差，影响燃气表的计量准确度。
本方案的样本方差剔除误差模型可以很好的解决燃气表的计量准确度受燃气流速的影响，在采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中后，样本方差剔除误差模型根据均值方差判定模型可以判断出瞬时流速的误差具体是正常的偶然误差，还是由于调节了燃气流量引起的(当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，即可判定该偏离现象是由于调节了燃气流量引起，而其他情况比如：出现不连续时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记、连续时刻的采样瞬时流速出现偏离标记但方向不一致、或者只有2、3或4个连续时刻采样瞬时流速出现偏离标记出现都可以判定为正常的偶然误差现象)，然后针对这两种情况进行不同的补正，当样本方差剔除误差模型根据方差判定值判断出瞬时流速的偏移属于正常的偶然误差时，将对应的误差值进行误差剔除并用稳定的量替换，当样本方差剔除误差模型根据方差判定值判断出瞬时流速的偏移属于调节了燃气流量引起的时，以该流量为基础进行重新测量，得到该流量下的校正流速。
当瞬时流速的偏移属于正常的偶然误差时，本方案在燃气表突然异常的情况下，可以用将误差值进行误差剔除并用稳定的量替换，用常用的稳定量替换异常量，避免了燃气流量的丢失，提高燃气表计量准确度。
当需要计量不同的燃气流量下的燃气损失时，若突然更换了燃气流量，样本方差剔除误差模型可以很快根据方差判定值判断出瞬时流速的偏移属于调节了燃气流量引起的时，以该流量为基础进行重新测量，得到该流量下的校正流速。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法和系统，通过样本方差剔除误差模型判断出瞬时流速的偏移具体是正常的偶然误差，还是由于调节了燃气流量引起的，然后针对这两种情况进行不同的补正，当样本方差剔除误差模型根据方差判定值判断出瞬时流速的偏移属于正常的偶然误差时，将对应的误差值进行误差剔除并用稳定的量替换，当样本方差剔除误差模型根据方差判定值判断出瞬时流速的偏移属于调节了燃气流量引起的时，以该流量为基础进行重新测量，得到该流量下的校正流速；计量的燃气损失流量准确度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法流程示意图；
图2是样本方差剔除误差模型工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，运用于超声波燃气表，包括以下步骤：
S1.根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
S2.根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，每隔t秒采样一次瞬时流速；
S3.将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除和替换得到校正流速；
S4.基于所有校正流速计算出燃气的损失流量。
S1具体包括以下步骤：
先所述上飞信号和下飞信号分别作傅里叶变换；
再根据上飞信号、下飞信号的傅里叶变换结果计算得到互相关曲线的频谱。
S1具体包括以下步骤：基于互相关曲线的频谱得到超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown；
基于超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown根据燃气平均速度公式计算出封闭管道中燃气的平均速度Vm；
基于平均速度Vm与管道横截面面积得到燃气的瞬时流量。
燃气平均速度公式为：
Figure BDA0002990803870000051
式中，
Figure BDA0002990803870000052
为声道角。
如图2所示，S3包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束。
所述历史均值方差判定模型为：计算出历史采样瞬时流速的均值和方差，以均值与方差的和作为上限，以均值与方差的差作为下限；
当采样瞬时流速大于上限或小于下限时，判定采样瞬时流速偏离历史均值方差判定模型；
采样瞬时流速大于上限与采样瞬时流速小于下限为相反的两个偏离方向。
最后输出采样时刻的所有校正流速。
S4具体包括步骤：
基于所有校正流速得到校正流速-时间曲线图；
求取校正流速-时间曲线与时间轴的面积得到燃气的损失流量。
实施例2
基于实施例1的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，本实施例提供基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定系统，包括：频谱获取模块、瞬时流量计算模块、采样模块、误差提出模块和损失流量计算模块；
频谱获取模块根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
瞬时流量计算模块根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，采样模块每隔t秒采样一次瞬时流速得到采样瞬时流速；
误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速；
损失流量计算模块基于所有校正流速计算出燃气的损失流量。
误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速，具体包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束。
(当只有小于连续5个时刻的采样瞬时流速出现偏离标记、或有多个偏离方向不一致的采样瞬时流速或只有间断的采样瞬时流速出现偏离标记时，就可以判断出采样瞬时流速的偏离属于正常的偶然误差，直接用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换即可，当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致则可以确定是由于调节燃气流量造成的偏离，因此需要删除所有的历史方差判定模型，以偏离的采样瞬时流速重新计算历史方差判定模型，输出新流量下采样时刻的所有燃气损失流量。)
所述历史均值方差判定模型为：计算出历史采样瞬时流速的均值和方差，以均值与方差的和作为上限，以均值与方差的差作为下限；
当采样瞬时流速大于上限或小于下限时，判定采样瞬时流速偏离历史均值方差判定模型；
采样瞬时流速大于上限与采样瞬时流速小于下限为相反的两个偏离方向。
当确定是由于调节燃气流量造成的偏离时，需要删除所有的历史方差判定模型，以偏离的采样瞬时流速重新计算历史方差判定模型，输出新流量下采样时刻的所有燃气损失流量；由于前面连续4个时刻的采样瞬时流速由于偏离历史均值方差判定模型而被新的均值进行替代，因此在进行以偏离的采样瞬时流速重新计算历史方差判定模型时会有一定误差，那么可以在第5个时刻的采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型时进行误差弥补。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，运用于超声波燃气表，其特征在于，包括以下步骤：
S1.根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
S2.根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，每隔t秒采样一次瞬时流速；
S3.将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除和替换得到校正流速；
S4.基于所有校正流速计算出燃气的损失流量；
S3包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束；
所述历史均值方差判定模型为：计算出历史采样瞬时流速的均值和方差，以均值与方差的和作为上限，以均值与方差的差作为下限；
当采样瞬时流速大于上限或小于下限时，判定采样瞬时流速偏离历史均值方差判定模型；
采样瞬时流速大于上限与采样瞬时流速小于下限为相反的两个偏离方向。
2.根据权利要求1所述的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：
先所述上飞信号和下飞信号分别作傅里叶变换；
再根据上飞信号、下飞信号的傅里叶变换结果计算得到互相关曲线的频谱。
3.根据权利要求1所述的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：
基于互相关曲线的频谱得到超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown；
基于超声波的上飞行时间tup和下飞行时间tdown根据燃气平均速度公式计算出封闭管道中燃气的平均速度Vm；
基于平均速度Vm与管道横截面面积得到燃气的瞬时流量。
4.根据权利要求3所述的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，其特征在于，燃气平均速度公式为：
Figure FDA0003284451180000021
式中，
Figure FDA0003284451180000022
为声道角。
5.根据权利要求1所述的基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法，其特征在于，S4具体包括步骤：
基于所有校正流速得到校正流速-时间曲线图；
求取校正流速-时间曲线与时间轴的面积得到燃气的损失流量。
6.基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定系统，应用于权利要求1-5的任意一项，其特征在于，包括：频谱获取模块、瞬时流量计算模块、采样模块、误差剔除模块和损失流量计算模块；
频谱获取模块根据采集的上飞信号和下飞信号获取互相关曲线的频谱；
瞬时流量计算模块根据互相关曲线的频谱基于燃气瞬时流量模型得到燃气的瞬时流量，采样模块每隔t秒采样一次瞬时流速得到采样瞬时流速；
误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速；
损失流量计算模块基于所有校正流速计算出燃气的损失流量；
所述误差提出模块将采样瞬时流速输入样本方差剔除误差模型中进行误差剔除得到校正流速，具体包括以下步骤：
S31.输入当前时刻采样瞬时流速；
S32.判断当前时刻采样瞬时流速是否偏离历史均值方差判定模型：
若是，则剔除该采样瞬时流速，用最近一次未偏离的采样瞬时流速替换并计入历史均值方差判定模型，对当前时刻采样瞬时流速进行偏离标记并记录偏离方向，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
否则，以该采样瞬时流速计入历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31；
S33.当连续5个时刻的采样瞬时流速都出现偏离标记，且偏离方向一致，则删除所有的历史均值方差判定模型，以偏离标记的采样瞬时流速重新构建历史均值方差判定模型，以下一时刻采样瞬时流速作为当前时刻采样瞬时流速返回S31，直至采样结束。
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