CN117109709A - 一种超声水表校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流量校准技术领域，公开了一种超声水表校准方法，包括以下步骤：控制流量连续变化，采集过程中的水表数据作为数据集；数据集预处理；绘制流量特征散点图；利用最小二乘法进行多项式拟合，获得流量特征曲线；计算瞬时流量；计算相对误差RD；根据RD评价流量特征曲线拟合效果，进而决定后续校准步骤。本发明通过实验平台控制流量不间断变化，快速覆盖整个流量区间，同时高测量频率保证流量变化过程中采集到足够多的瞬时数据，极大的提高了校准效率；根据误差自适应拟合校准曲线，保证校准精度。本方法在保证校准精度的前提下，改善了流量校准耗时耗力的问题，满足工厂快速生产的要求。

Description

一种超声水表校准方法
技术领域
本发明涉及流量校准技术领域，尤其涉及一种超声水表校准方法。
背景技术
超声水表的校准是实现精准计量的前提。对此，目前的校表方式还是机械式的修正方法，流量测试数遍后修正误差，循环操作直到达到要求为止。此方法浪费时间的同时还增加了生产成本，既不适合超声水表的特性，又不能展示超声水表自身特点。而现有资料中还尚未发现其他可行性强的快速校表方法。
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校准方法，在保证超声水表精度的前提下，实现超声水表的快速校准，满足工厂快速生产的要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超声水表校准方法，包括以下步骤：
S1，通过实验平台，以不固定频率，控制流量在Q1~Q4间连续变化，采集过程中的超声水表数据作为数据集；
S2，对所述数据集进行预处理；
S3，基于预处理后的数据集绘制流量特征散点图；
S4，将流量特征散点图中待校准超声水表的上下游接收信号传播时间差Δt取对数后的结果作为横坐标x，利用最小二乘法进行多项式拟合，获得流量特征曲线K：
；
；
其中a、b、c是公式拟合系数；
S5，基于Δt与K计算瞬时流量vcalc；
S6，计算相对误差RD：
；
式中，vexp是数据集中超声水表采集的瞬时流量；
根据RD评价流量特征曲线拟合效果，以评价结果决定后续步骤：
情况1，若RD均小于或等于最大允许误差的二分之一，则认为流量特征曲线拟合效果满足要求，输出流量特征曲线，完成超声水表校准；
情况2，若存在RD大于最大允许误差的二分之一，且小于或等于最大允许误差，则 认为流量特征曲线拟合效果不满足要求，需将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段 后，分段进行最小二乘法拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准；其中每一段 流量区间拟合公式均为：；
情况3，若存在RD大于最大允许误差，且小于最大允许误差的2倍，则认为流量特征曲线拟合错误，需执行如下流程：
以层流/湍流分界点与流量特征曲线拐点为分段点，将整个流量区间划分为若干子流量区间；
分段进行线性拟合；拟合公式均为：；
根据相对误差RD优化子流量区间分段：对线性拟合后的RD大于最大允许误差的二分之一的各子流量区间，分别在其中间位置增加一个分段点；
基于优化后的分段进行线性拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准； 其中拟合公式均为：；
情况4，若存在RD大于或等于最大允许误差的2倍，则认为超声水表异常，流程终止，需对该超声水表单独分析。
优选地，所述步骤S1中数据集包含待校准超声水表的上下游接收信号传播时间差以及标准表的瞬时流量；
其中标准表是指能够展示真实流量变化的高精度超声水表。
优选地，所述步骤S2中预处理的方法为：
以数据集点列中第3个点为当前点，计算当前点瞬时流量的特征因子k及前后各2 个点的五点均值；其中k=vexp/Δt；
判断是否大于2(max-min)/3：若是则从数据集中剔除当前点，否则以点列 中第4个点为当前点重复上述步骤；其中max、min分别是数据点列中所有点瞬时流量的特征 因子k中的最大值与最小值；
以此类推，直至以点列中的第n-2个点为当前点重复上述步骤完成，至此预处理完成；其中n为总点数。
优选地，所述步骤S3中流量特征散点图为反映单一温度下特征因子k随待校准超声水表上下游接收信号传播时间差Δt变化的散点图；其中k= vexp /Δt。
优选地，所述步骤S5中瞬时流量vcalc的计算公式如下：
。
优选地，所述步骤S6的情况2中将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段的具体步骤如下：
确定层流、湍流、过渡流区间对应的雷诺数；
根据雷诺数与流量关系计算分段点处的流量值；其中ρ是流体密 度、Re是雷诺数、L是水力直径、μ是流体粘度系数、S是管段截面积。
本发明的有益技术效果：通过实验平台控制流量不间断变化，快速覆盖整个流量区间，同时高测量频率保证流量变化过程中采集到足够多的瞬时数据，极大的提高了校准效率；根据误差自适应拟合校准曲线，保证校准精度。本方法在保证校准精度的前提下，改善了流量校准耗时耗力的问题，满足工厂快速生产的要求。
附图说明
图1为本发明的总体流程图。
图2为本发明实施例中的流量特征曲线图。
图3为本发明实施例中的流量特征散点图。
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：一种超声水表校准方法，参见图1，包括以下步骤：
S1，通过实验平台，以不固定频率，控制流量从Q1~Q4间连续变化，实验时长300s，其中层流区域流量变化速度是湍流区域的二倍，以每秒64组数据的速度采集超声波标准表的瞬时流量与待校表的瞬时上下游接收信号传播时间差作为数据集；
S2，对所述数据集进行预处理：假定采集到的数据集点列中最前2个点和最后2个 点是准确的，以数据集点列中第3个点为当前点，计算当前点瞬时流量的特征因子k及前后 各2个点的五点均值；其中k=vexp/Δt；
判断是否大于2(max-min)/3：若是则从数据集中剔除当前点，否则以点列 中第4个点为当前点重复上述步骤；其中max、min分别是数据点列中所有点瞬时流量的特征 因子k中的最大值与最小值；
以此类推，直至以点列中的第n-2个点为当前点重复上述步骤完成，至此预处理完成；其中n为总点数。
S3，基于预处理后的数据集绘制流量特征散点图，参见图3；其中流量特征散点图为反映单一温度下特征因子k随待校准超声水表上下游接收信号传播时间差Δt变化的散点图；其中k=vexp/Δt，vexp是超声水表采集的瞬时流量，由于Δt的单位是皮秒，因此图中纵坐标标注了特征因子的数量级为109，图2同理。
S4，之后将流量特征散点图中待校准超声水表的上下游接收信号传播时间差Δt取对数后的结果作为横坐标x，利用最小二乘法进行多项式拟合，获得流量特征曲线K，参见图2：
；
；
其中，a、b、c是公式拟合系数；
S5，基于Δt与K计算瞬时流量vcalc，计算公式如下：
；
式中，vcalc是计算的瞬时流量。
S6，之后计算相对误差RD：
；
式中，vexp是数据集中超声水表采集的瞬时流量；
根据RD评价流量特征曲线拟合效果，以评价结果决定后续步骤：
情况1，若RD均小于或等于最大允许误差的二分之一，则认为流量特征曲线拟合效果满足要求，输出流量特征曲线，完成超声水表校准；
情况2，若存在RD大于最大允许误差的二分之一，且小于或等于最大允许误差，则 认为流量特征曲线拟合效果不满足要求，需将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段 后，分段进行最小二乘法拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准；其中每一段 流量区间拟合公式均为：；
其中将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段，具体步骤如下：
层流与过渡流分界点对应雷诺数为2300，湍流与过渡流分界点对应的雷诺数为4000；
根据雷诺数与流量关系计算分段点处的流量；其中ρ是流体密度、 Re是雷诺数、L是水力直径、μ是流体粘度系数、S是管段截面积。
情况3，若存在RD大于最大允许误差，且小于最大允许误差的2倍，则认为流量特征曲线拟合错误，需执行如下流程：
以层流/湍流分界点与流量特征曲线拐点为分段点，将整个流量区间划分为若干子流量区间；
分段进行线性拟合；拟合公式均为：；
根据相对误差RD优化子流量区间分段：对线性拟合后的RD大于最大允许误差的二分之一的各子流量区间，分别在其中间位置增加一个分段点；
基于优化后的分段进行线性拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准； 其中拟合公式均为：；
情况4，若存在RD大于或等于最大允许误差的2倍，则认为超声水表异常，流程终止，需对该超声水表单独分析。
实施例中输出了最终的流量特征曲线，完成了超声水表的流量校准，满足国标2级表精度要求。
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 (6)

1.一种超声水表校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过实验平台，以不固定频率，控制流量在Q1~Q4间连续变化，采集过程中的超声水表数据作为数据集；
S2，对所述数据集进行预处理；
S3，基于预处理后的数据集绘制流量特征散点图；
S4，将流量特征散点图中待校准超声水表的上下游接收信号传播时间差Δt取对数后的结果作为横坐标x，利用最小二乘法进行多项式拟合，获得流量特征曲线K：
；
；
其中a、b、c是公式拟合系数；
S5，基于Δt与K计算瞬时流量vcalc；
S6，计算相对误差RD：
；
式中，vexp是数据集中超声水表采集的瞬时流量；
根据RD评价流量特征曲线拟合效果，以评价结果决定后续步骤：
情况1，若RD均小于或等于最大允许误差的二分之一，则认为流量特征曲线拟合效果满足要求，输出流量特征曲线，完成超声水表校准；
情况2，若存在RD大于最大允许误差的二分之一，且小于或等于最大允许误差，则认为流量特征曲线拟合效果不满足要求，需将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段后，分段进行最小二乘法拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准；其中每一段流量区间拟合公式均为：；
情况3，若存在RD大于最大允许误差，且小于最大允许误差的2倍，则认为流量特征曲线拟合错误，需执行如下流程：
以层流/湍流分界点与流量特征曲线拐点为分段点，将整个流量区间划分为若干子流量区间；
分段进行线性拟合；拟合公式均为：；
根据相对误差RD优化子流量区间分段：对线性拟合后的RD大于最大允许误差的二分之一的各子流量区间，分别在其中间位置增加一个分段点；
基于优化后的分段进行线性拟合，输出最终的流量特征曲线，完成超声水表校准；其中拟合公式均为：；
情况4，若存在RD大于或等于最大允许误差的2倍，则认为超声水表异常，流程终止，需对该超声水表单独分析。
2.根据权利要求1所述的一种超声水表校准方法，其特征在于，所述步骤S1中数据集包含待校准超声水表的上下游接收信号传播时间差以及标准表的瞬时流量；
其中标准表是指能够展示真实流量变化的高精度超声水表。
3.根据权利要求1所述的一种超声水表校准方法，其特征在于，所述步骤S2中预处理的方法为：
以数据集点列中第3个点为当前点，计算当前点瞬时流量的特征因子k及前后各2个点的五点均值；其中k=vexp/Δt；
判断是否大于2(max-min)/3：若是则从数据集中剔除当前点，否则以点列中第4个点为当前点重复上述步骤；其中max、min分别是数据点列中所有点瞬时流量的特征因子k中的最大值与最小值；
以此类推，直至以点列中的第n-2个点为当前点重复上述步骤完成，至此预处理完成；其中n为总点数。
4.根据权利要求1所述的一种超声水表校准方法，其特征在于，所述步骤S3中流量特征散点图为反映单一温度下特征因子k随待校准超声水表上下游接收信号传播时间差Δt变化的散点图；其中k=vexp/Δt。
5.根据权利要求1所述的一种超声水表校准方法，其特征在于，所述步骤S5中瞬时流量vcalc的计算公式如下：
。
6.根据权利要求1所述的一种超声水表校准方法，其特征在于，所述步骤S6的情况2中将整个流量区间分为层流、湍流、过渡流三段的具体步骤如下：
确定层流、湍流、过渡流区间对应的雷诺数；
根据雷诺数与流量关系计算分段点处的流量值；其中ρ是流体密度、Re是雷诺数、L是水力直径、μ是流体粘度系数、S是管段截面积。
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