CN118243186A - 一种超声波流量计计量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超声波流量计计量方法及系统。该方法为：计算各飞行时间样本的飞行时间差；当飞行时间样本数量满足样本数预设值时，将所有飞行时间差进行中位数滤波，得到中位数样本；当中位数样本数量满足中位数样本数预设值时，将所有中位数样本进行平均滤波，得到当前飞行时间差滤波结果；当当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内时，调整滤波参数，重新对所有飞行时间差进行平均滤波；当两者差值在设定范围内时，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。该超声波流量计计量方法通过软件滤波的方式使在水流不稳定的情况下仍能准确地对流速、流量进行计量，提升了计量精度。
Description
技术领域
本发明涉及超声波流量计领域，具体涉及一种超声波流量计计量方法及系统。
背景技术
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束或超声脉冲的作用以测量流量的仪表，可广泛应用于医疗、石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。
外夹式或者管段式超声波流量计是以“速度差法”为原理来对对流量进行计量。但在计量时往往会存在一些干扰因素，如流体中存在气泡，水流不稳等情况，从而导致对流量的计量不准确。
在现有技术中，如CN116202581A所记载的一种结合FPGA技术和高性能算法的超声波流量计对气泡问题进行了优化，但对水流不稳问题仍是束手无策。目前解决水流不稳的问题通常是采用整流器的方式去解决水流不稳定造成的时间差波动问题，而在一些微小管径下，整流器无法安装，这样就无法测量微小管径水流不稳定的情况。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可有效应对水流不稳问题的超声波流量计计量方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种超声波流量计计量方法，包括以下步骤：
超声波流量计持续采集飞行时间样本，计算各飞行时间样本中上行飞行时间和下行飞行时间的飞行时间差；
当飞行时间样本数量满足样本数预设值时，将所有飞行时间差进行中位数滤波处理，得到中位数样本；
当中位数样本数量满足中位数样本数预设值时，将所有中位数样本进行平均滤波处理，得到当前飞行时间差滤波结果；
将当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果进行比较，当两者差值不在设定范围内时，调整滤波参数，重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内；当两者差值在设定范围内时，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。
该超声波流量计计量方法通过软件滤波的方式使在水流不稳定的情况下仍能准确地对流速、流量进行计量，提升了计量精度。
可选的，所述平均滤波采用滑动平均滤波。
在超声波流量计计量方法的一种可选方案中，当当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内时，调整平均滤波参数，重新对所有中位数样本进行平均滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。
该可选方案通过反复调整平均滤波参数，提高当前飞行时间差滤波结果的准确度，提升了计量的精度。
在超声波流量计计量方法的一种可选方案中，若调整平均滤波参数的次数达到设定次数，但当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值仍不在设定范围内时，则调整中位数滤波参数，重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。该可选方案进一步提升了计量精度。
在超声波流量计计量方法的一种可选方案中，记录当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内的持续时间，如果该持续时间小于设定时间，则调整平均滤波参数，重新进行平均滤波处理；否则，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。
在该可选方案中，当持续时间小于设定时间，说明流速虽然发生变化，但仅是短时间内的波动不稳，因此调整平均滤波参数，重新进行平均滤波处理，当持续时间不小于设定时间，说明流速发生变化，且在一定时间内趋于稳定了，因此就可以当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。因此该可选方案可有效确定流速的变化是否趋于稳定，进一步的提高了计量的准确性。
在该超声波流量计计量方法的一种可选方案中，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量时，先将当前飞行时间差滤波结果进行卡尔曼滤波处理，再基于该滤波结果进行流量计量。
在该超声波流量计计量方法的一种可选方案中，若当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果满足公式：
Δt2×(1-p)<Δt1<Δt2×(1+p),判定当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内,其中Δt1为当前飞行时间差滤波结果,Δt2为上次飞行时间差滤波结果，p为计算精度值。
本发明还提供了一种超声波流量计计量系统，包括飞行时间样本获取模块、存储模块和处理模块；
所述飞行时间样本获取模块与处理模块连接，将获取的飞行时间样本发送对处理模块，所述处理模块与存储模块连接，所述存储模块中存放有至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理模块基于所述飞行时间样本执行如上述的超声波流量计计量方法对应的操作。
在该超声波流量计计量系统的一种可选方案中，所述飞行时间样本获取模块包括至少一对用于采集飞行时间样本的收发一体式超声波探头。
本发明的有益效果是：本发明通过中位值滤波去除异常数据，通过滑动平均滤波降低数据的波动，还通过与上次飞行时间差滤波结果的差异性处理来调节滑动平均滤波的参数，滑动平均滤波后再经卡尔曼滤波处理，基于该滤波结果进行流量计量，克服了水流不稳而导致的计量不准的问题，提高了计量精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是实施例一的原理流程图；
图2是实施例一的原理框图；
图3是超声波流量计原理框图；
图4是实施例二的原理流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1和图2所示，本发明提供了一种超声波流量计计量方法。具体如下：
超声波流量计采集飞行时间样本，飞行时间样本包括同一采集时刻的上行飞行时间和下行飞行时间，计算各飞行时间样本的飞行时间差。
具体地，在同一时刻记录超声波流量计采集到的上行飞行时间t1和下行飞行时间t2。如图3所示，由第一收发一体式超声波探头C发送激励信号，由第二收发一体式超声波探头B接收信号得到上行飞行时间t1,由第二收发一体式超声波探头B发送激励信号，第一收发一体式超声波探头C接收信号得到下行飞行时间t2，由下行飞行时间t2减去上行飞行时间t1得到Δt。
其中，l为第二收发一体式超声波探头B到第一收发一体式超声波探头C的距离；C0为声速；v为流体流速。
由上式得，
持续采集飞行时间样本，当采集的飞行时间样本数量N满足样本数预设值n时,n为正整数，至少大于等于2，将所有飞行时间样本的飞行时间差Δt进行中位数滤波处理，得到中位数样本，记录中位数柆本数量，记为N1。
当中位数样本数量N1小于中位数样本数预设值n1时，则继续采集飞行时间样本，直至中位数样本数量N1不小于中位数样本数预设值n1；当中位数样本数量N1不小于中位数样本数预设值n1时，将所有中位数样本进行平均滤波处理，得到当前飞行时间差滤波结果Δt1。本实施例中，平均滤波采用滑动平均滤波，即假设中位数样本数预设值n1为10，则参与平均滤波处理的中位数样本形成一个数组arry，每得到一个中位数样本就将这个值赋值到arry[0]，上一个中位数样本则滑动到arry[1]，当中位数样本大于10时，先进入数组arry的中位数样本则溢出，不参与平均滤波。
将当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2进行比较，当两者差值不在设定范围内时，调整滤波参数，重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2的差值在设定范围内；当两者差值在设定范围内时，基于当前飞行时间差滤波结果Δt1进行流量计量，并记录当前飞行时间差滤波结果Δt1以作下轮计算时使用。
本实施例中，若当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2满足公式Δt2×(1-p)<Δt1<Δt2×(1+p),则判定当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2的差值在设定范围内,基于当前飞行时间差滤波结果Δt1进行流量计量其中，p为计算精度值。若Δt1<Δt2×(1-p)或Δt1>Δt2×(1+p),则判定当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2的差值不在设定范围内,需调整平均滤波参数，重新对所有中位数样本进行平均滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2的差值在设定范围内。
在调整滤波参数时，先调整平均滤波参数，重新对所有中位数样本进行平均滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。
若调整平均滤波参数的次数达到设定次数，但当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值仍不在设定范围内时，则调整中位数滤波参数加大丢弃飞行时间差Δt的个数，一般成2的次方增长，然后按上述步骤重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。在调整了中位数滤波参数后，平均滤波参数优选但不限于恢复到调整前。
在基于当前飞行时间差滤波结果Δt1进行流量计量时，可先将当前飞行时间差滤波结果Δt1进行卡尔曼滤波处理，再基于该滤波结果进行流量计量，输出最终结果。
具体计算时，流体流速单位时间的流量其中，r为流道半径，π为圆周率。
实施例二
本实施例还提供了实施例一的一种可选方案：如图4所示，当当前飞行时间差滤波结果Δt1与上次飞行时间差滤波结果Δt2的差值不在设定范围内时，开始记录该情况的持续时间，如果该持续时间小于设定时间T，则调整平均滤波参数，重新对所有中位数样本进行平均滤波处理，并按上述实施例的步骤执行；如果该持续时间不小于设定时间T，则基于当前飞行时间差滤波结果Δt1进行流量计量。
记录当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内的持续时间，如果该持续时间大于设定时间，则调整平均滤波参数，重新进行平均滤波处理；否则，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。
实施例三
本发明还提出了一种超声波流量计计量系统的实施例。该实施例中的超声波流量计计量系统包括飞行时间样本获取模块、存储模块和处理模块。
飞行时间样本获取模块与处理模块连接，将获取的飞行时间样本发送对处理模块。飞行时间样本获取模块可以是至少一对用于采集飞行时间样本的收发一体式超声波探头，如实施例一中所述的第一收发一体式超声波探头C和第二收发一体式超声波探头B，也可以是其他形式的数据接收模块。
处理模块与存储模块连接，存储模块中存放有至少一个可执行指令，可执行指令使所述处理模块基于飞行时间样本执行如实施例一或实施例二所述的超声波流量计计量方法对应的操作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种超声波流量计计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
超声波流量计持续采集飞行时间样本，计算各飞行时间样本中上行飞行时间和下行飞行时间的飞行时间差；
当飞行时间样本数量满足样本数预设值时，将所有飞行时间差进行中位数滤波处理，得到中位数样本；
当中位数样本数量满足中位数样本数预设值时，将所有中位数样本进行平均滤波处理，得到当前飞行时间差滤波结果；
将当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果进行比较，当两者差值不在设定范围内时，调整滤波参数，重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内；当两者差值在设定范围内时，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，当当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内时，调整平均滤波参数，重新对所有中位数样本进行平均滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。
3.根据权利要求2所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，若调整平均滤波参数的次数达到设定次数，但当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值仍不在设定范围内时，则调整中位数滤波参数，重新对所有飞行时间差进行滤波处理，直至当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内。
4.根据权利要求1所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，记录当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值不在设定范围内的持续时间，如果该持续时间小于设定时间，则调整平均滤波参数，重新进行平均滤波处理；否则，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量。
5.根据权利要求1所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，基于当前飞行时间差滤波结果进行流量计量时，先将当前飞行时间差滤波结果进行卡尔曼滤波处理，再基于该滤波结果进行流量计量。
6.根据权利要求1所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，若当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果满足公式：
Δt2×(1-p)<Δt1<Δt2×(1+p),判定当前飞行时间差滤波结果与上次飞行时间差滤波结果的差值在设定范围内,其中Δt1为当前飞行时间差滤波结果,Δt2为上次飞行时间差滤波结果，p为计算精度值。
7.根据权利要求1所述的超声波流量计计量方法，其特征在于，所述平均滤波采用滑动平均滤波。
8.一种超声波流量计计量系统，其特征在于，包括飞行时间样本获取模块、存储模块和处理模块；
所述飞行时间样本获取模块与处理模块连接，将获取的飞行时间样本发送对处理模块，所述处理模块与存储模块连接，所述存储模块中存放有至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理模块基于所述飞行时间样本执行如权利要求1至7任一项所述的超声波流量计计量方法对应的操作。
9.根据权利要求8所述的超声波流量计计量系统，其特征在于，所述飞行时间样本获取模块包括至少一对用于采集飞行时间样本的收发一体式超声波探头。
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