CN115950495B - 一种超声水表测量频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体计量技术领域，公开了一种超声水表测量频率调节方法，包括以下步骤：水表检测到流量脱离稳定状态时以预设采集时间T和精准测量频率采集瞬时流量并在T结束时刻判断流量是否稳定：若稳定则停止采集并记录T内的采集点数量、采集点瞬时流量、流量中断次数、流量中断长度l为有效采集数据；提取有效采集数据中的稳定数据进行预处理得平均值μ与标准差σ；利用内置算法处理μ、σ、流量中断次数与l，从测量频率预设值中得出最适配频率并进行调节。本发明基于正态分布的模拟流量模型，结合蒙特卡洛理论模拟不同测量频率的误差，调节到最佳的测量频率，保证了测量精度与功耗的平衡，在不影响精度前提下大幅延长了水表寿命。

Description

一种超声水表测量频率调节方法

技术领域

本发明涉及流体计量技术领域，尤其涉及一种超声水表测量频率调节方法。

背景技术

近几年来，国内流体计量技术领域的壁垒突破迅速，相应基于各种原理的计量装置也层出不穷，而尤以基于超声流量技术所研制的超声水表，因其精度高、量程比宽和对水质适应性强等优点发展迅速。但当下超声水表产品仍存在着许多问题，尤其是为避免超声流量技术的跟踪流量变化能力弱的缺点，保证超声水表正常进行高精度测量，市面上的超声水表在对不同情境的通水状况应对策略单一，大多运用与专利CN102914333《利用超声波检测流量的检测方法》相同或相似的测量策略，通过换能器检测到的正流、逆流时间，结合声路长度运用固定的测量频率周期性地计算管内瞬时流量信息，为保证高精度的特点，多把测量频率设置为一个较高的值以保证测量精度，但这种策略会导致超声水表功耗较高，使用寿命较短，且在部分不稳定流量场景与不通水零流量下造成大量的功耗损失。于是专利CN103808380B《一种用于超声波流量计量仪表的流量快速跟踪方法》在此基础上进行了改进，该专利利用流量检测模块实时检测若干流量点，不断通过流量点的变化拟合接近真实流量的曲线，并根据该拟合出的流量曲线进行采样变速，调整测量频率，但该专利并未考虑到该方法在流量不稳定情况下，若要保持精度需要持续检测流量点并进行运算，并进行不间断的频率反复调整，这便会导致比固有测量频率方案更大的功耗。

综上所述，现有技术存在的问题是：现阶段市场上超声水表多采用较高的固定测量频率，导致在部分不稳定流量场景与不通水零流量下造成不必要的功耗损失，而通过流量监测方式对测量频率进行调节的方法，虽然保证了某些流量场景下精度情况，避免单一测量频率带来的功耗损失，但在流量波动大的不稳定流量场景下会持续大量进行瞬时流量的测量并且持续调用存储模块记录数据反而带来更大的损耗，无法做到精度与功耗的平衡。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声水表测量频率调节方法，超声水表针对不同的用水环境都可以自适应选取最适配的测量频率以保证测量精度与功耗的平衡，在不影响精度前提下大幅度地延长了超声水表的使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超声水表测量频率控制方法，包括以下步骤：

S1：超声水表检测到流量脱离稳定状态时，以预设采集时间T和精准测量频率f₁采集瞬时流量并在预设采集时间结束时刻判断流量是否重新进入稳定状态：若进入稳定状态则停止采集并记录该段采集时间T内的采集点数量、各采集点的瞬时流量、流量中断次数、流量中断长度l为有效采集数据；

所述稳定状态为：若一定时间t内每一采集点的瞬时流量均处于( m(1-δ)，m(1+δ) )范围内，则流量处于稳定状态；

其中m为该段时间t内全部采集点的瞬时流量均值；

S2：提取有效采集数据中的稳定数据并对提取数据进行预处理，得到平均值μ与标准差σ；

S3：利用超声水表内置算法对平均值μ、标准差σ、流量中断次数与流量中断长度l进行综合处理，从而从超声水表内置的若干测量频率预设值中得出最适配测量频率；

S4：调节超声水表当前测量频率至最适配测量频率值。

进一步地，所述S1中，根据精准测量频率f₁设定预设采集时间T的取值，f₁越大则T取值越小；f₁为人为判断能满足实时检测通水与否的频率。

进一步地，所述f₁设置为64Hz，T为10分钟。

进一步地，所述S1中流量中断次数为瞬时流量变成0升/小时的次数，流量中断长度l为每次流量中断时瞬时流量为0升/小时的采集点数量。

进一步地，所述t为60秒，δ为10%。

进一步地，所述S2中稳定数据为有效采集数据中稳定状态内的各采集点瞬时流量。

进一步地，所述S3中的内置算法具体包括以下步骤：

S3.1：生成正态分布密度函数：

；

S3.2：基于正态分布密度函数与蒙特卡洛理论，生成有效采集数据中各采集点理论瞬时流量并记录为瞬时流量精准模型；

S3.3：从测量频率预设值中选择一个值，记为f₂，计算f₂与f₁的相对测量间隔g=f₁/ f₂；再计算f₂与f₁之间的误差采集点数量n；

其中，对流量中断长度l除以相对测量间隔g后所得结果取余数，将对所得余数向下取整后得到的结果作为误差采集点数量n；

S3.4：若n=0，则进入“正常状态”；否则就会出现漏计或多计情况，两种情况发生概率相等，随机进入“漏计状态”或“多计状态”；

S3.5：将瞬时流量精准模型中值为0的采集点标记为中断采集点：

若进入“正常状态”，中断采集点数量保持不变；

若进入“漏计状态”，将当前最后一个中断采集点后的n₁个采集点标记为中断采集点；n₁=g-n；

若进入“多计状态”，则取消当前最后n₂个中断采集点的中断采集点标记；n₂=n；

S3.6：将瞬时流量精准模型内所有中断采集点的瞬时流量设置为0；

以g个点作为间隔，从抽取第一个采集点开始，依次抽取采集点并将抽取的各采集点记录为瞬时流量误差模型；

再计算瞬时流量误差模型与瞬时流量精准模型的相对误差值E：

式中m₁为瞬时流量误差模型内各采集点瞬时流量的平均值，m₂为瞬时流量精准模型内各采集点瞬时流量的平均值；

S3.7：循环步骤S3.2~S3.6共i次，计算所得i个相对误差值E的平均值

：

上述式中E₁至E_i为每次循环后计算出的当次相对误差值结果；

在上述i次计算过程中，使用的测量频率预设值为同一值；

S3.8：将f₂、

代入目标函数计算：/>

其中A为权重因子，opt为目标值；

S3.9：跳转S3.3，从测量频率预设值中选择下一个值，记为f₂进行后续计算，直至得到各测量频率预设值下的目标值opt后，选择最小的opt值对应的测量频率预设值为最适配测量频率。

进一步地，所述i=100。

进一步地，所述精准测量频率f₁为测量频率预设值的整数倍。

进一步地，所述测量频率预设值设定为1Hz、2Hz、4Hz、8Hz。

本发明的有益技术效果：基于正态分布与蒙特卡洛理论进行超声水表测量频率调节，根据真实流水情况下的瞬时流量的平均值与标准差可以建立出任何场景下基于正态分布的模拟流量模型，结合蒙特卡洛理论内部建立不同模拟流量模型，再针对模拟流量模型，根据使用者需求，利用目标函数对不同测量频率进行计算、选择与控制，根据不同流量场景都可以调节到最符合需求的测量频率进行测量，保证了测量精度与功耗的平衡，在不影响精度前提下大幅度地延长了超声水表的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的总体流程图。

图2为本发明内置算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例：

如图1所示，一种超声水表测量频率调节方法，包括以下步骤：

以一户的一次洗澡淋浴场景为例，开始淋浴时由于洗澡者打开水龙头调整出水量，超声水表检测到流量脱离稳定状态，所以以预设采集时间T=10分钟和精准测量频率f₁=64Hz采集瞬时流量并在预设采集时间结束时刻判断流量是否重新进入稳定状态。

洗澡者调整好水流大小后，水流逐渐稳定，在精准测量频率64Hz下，一定时间60秒内每一采集点的瞬时流量均处于( m(1-10%)，m(1+10%) )范围内，则流量处于稳定状态；

其中m为60秒内全部采集点的瞬时流量均值。

停止采集并记录10分钟内的采集点数量（64Hz*10分钟*60=38400）、各采集点的瞬时流量、流量中断次数2次、流量中断长度l（每次中断均为57.3s，采集点数量3667）为有效采集数据。

提取其中稳定数据（有效采集数据中稳定状态内的各采集点瞬时流量）进行预处理，计算得到平均值μ=300，标准差σ=5。

如图2所示，利用内置算法得到最适配测量频率：

A.利用平均值μ与标准差σ生成正态分布密度函数。

B.结合蒙特卡洛理论重新生成该10分钟的瞬时流量精准模型。

C.计算第一个测量频率预设值1Hz与精准测量频率64Hz之间的测量间隔g=64，计算出误差点数量n=19，n≠0，所以等概率进入“漏计状态”或“多计状态”（进入“漏计状态”则将当前最后一个中断采集点后的45个采集点标记为中断采集点；进入“多计状态”则取消当前最后19个中断采集点的中断采集点标记），再根据测量间隔g，从抽取第一个采集点开始，依次抽取采集点并将抽取的各采集点记录为瞬时流量误差模型；再计算瞬时流量误差模型与瞬时流量精准模型的相对误差值E。

D.循环上述B步骤100次，对该100次相对误差值E求其平均值

。

E.求得1Hz测量频率预设值下

等于1.5846‰。

F.将f₂、

代入目标函数opt=0.7*/>

+0.3*f₂（根据使用需求，认为精度比功耗更为重要，故设置精度的权重因子A为0.7）计算得opt=1.4092。

G.跳转C步骤，分别修改预设测量频率至2Hz、4Hz、8Hz进行后续计算，分别得

等于0.7464‰、0.4883‰、0.2684‰；对应计算opt为1.1225、1.5418、2.5878。

H.选取2Hz作为最适配测量频率进行后续测量。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：超声水表检测到流量脱离稳定状态时，以预设采集时间T和精准测量频率f₁采集瞬时流量并在预设采集时间结束时刻判断流量是否重新进入稳定状态：若进入稳定状态则停止采集并记录该段采集时间T内的采集点数量、各采集点的瞬时流量、流量中断次数、流量中断长度l为有效采集数据；

所述稳定状态为：若一定时间t内每一采集点的瞬时流量均处于(m(1-δ)，m(1+δ))范围内，则流量处于稳定状态；

其中m为该段时间t内全部采集点的瞬时流量均值；

S2：提取有效采集数据中的稳定数据并对提取数据进行预处理，得到平均值μ与标准差σ；

S3：利用超声水表内置算法对平均值μ、标准差σ、流量中断次数与流量中断长度l进行综合处理，从而从超声水表内置的若干测量频率预设值中得出最适配测量频率；

内置算法具体包括以下步骤：

S3.1：生成正态分布密度函数：

S3.2：基于正态分布密度函数与蒙特卡洛理论，生成有效采集数据中各采集点理论瞬时流量并记录为瞬时流量精准模型；

S3.3：从测量频率预设值中选择一个值，记为f₂，计算f₂与f₁的相对测量间隔g＝f₁/f₂；再计算f₂与f₁之间的误差采集点数量n；

其中，对流量中断长度l除以相对测量间隔g后所得结果取余数，将对所得余数向下取整后得到的结果作为误差采集点数量n；

S3.4：若n＝0，则进入“正常状态”；否则就会出现漏计或多计情况，两种情况发生概率相等，随机进入“漏计状态”或“多计状态”；

S3.5：将瞬时流量精准模型中值为0的采集点标记为中断采集点：

若进入“正常状态”，中断采集点数量保持不变；

若进入“漏计状态”，将当前最后一个中断采集点后的n₁个采集点标记为中断采集点；n1＝g-n；

若进入“多计状态”，则取消当前最后n₂个中断采集点的中断采集点标记；n₂＝n；

S3.6：将瞬时流量精准模型内所有中断采集点的瞬时流量设置为0；

以g个点作为间隔，从抽取第一个采集点开始，依次抽取采集点并将抽取的各采集点记录为瞬时流量误差模型；

再计算瞬时流量误差模型与瞬时流量精准模型的相对误差值E：

E＝(m₁-m₂)/m₂

式中m₁为瞬时流量误差模型内各采集点瞬时流量的平均值，m₂为瞬时流量精准模型内各采集点瞬时流量的平均值；

S3.7：循环步骤S3.2～S3.6共i次，计算所得i个相对误差值E的平均值

/>

上述式中E₁至E_i为每次循环后计算出的当次相对误差值结果；

在上述i次计算过程中，使用的测量频率预设值为同一值；

S3.8：将f₂、

代入目标函数计算：/>

其中A为权重因子，opt为目标值；

S3.9：跳转S3.3，从测量频率预设值中选择下一个值，记为f₂进行后续计算，直至得到各测量频率预设值下的目标值opt后，选择最小的opt值对应的测量频率预设值为最适配测量频率；

S4：调节超声水表当前测量频率至最适配测量频率值。

2.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述S1中，根据精准测量频率f₁设定预设采集时间T的取值，f₁越大则T取值越小；f₁为人为判断能满足实时检测通水与否的频率。

3.根据权利要求2所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述f₁设置为64Hz，T为10分钟。

4.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述S1中流量中断次数为瞬时流量变成0升/小时的次数，流量中断长度l为每次流量中断时瞬时流量为0升/小时的采集点数量。

5.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述t为60秒，δ为10％。

6.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述S2中稳定数据为有效采集数据中稳定状态内的各采集点瞬时流量。

7.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述i＝100。

8.根据权利要求1所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述精准测量频率f₁为测量频率预设值的整数倍。

9.根据权利要求8所述的一种超声水表测量频率调节方法，其特征在于，所述测量频率预设值设定为1Hz、2Hz、4Hz、8Hz。

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