CN104089685B - 提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，通过监测在测量过程中开关阀时刻超声波在水中顺逆流中的传播时间差的原始采样数据△T的变化，精准的判断开关阀的时刻，同时引入主累积流量和临时累积流量数据，只有通过判断是真正计量的临时累积流量才会补入主累积流量中，否则将抛弃，以此来保证表计在整个测量过程中的累积体积的准确性，避免多计。本发明能够保证表计误差不会产生跳变，从而提高流量误差的一致性。本发明解决了流量误差在不同的检测台体上容易发生跳变，即受检测台体的影响而造成的误差一致性差的问题。

Description

提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法。
背景技术
目前，存在在不同的超声波热量表的检测台体流量测量误差不一样，主要原因在于各种检测台体开关阀的时间和力度不一样。在开阀和关阀的过程中，容易产出水锤现象，造成开阀、关阀时流场发生变化，甚至产生回流情况，从而不能正确判断出开阀或关阀的准确时刻，造成流量计量不准确，出现多计的情况；由此造成误差的跳变，影响流量测量的精度，降低了误差的一致性。
发明内容
本发明的目的是提供一种在检测台上对超声波热量表进行流量检测时，能精准判断开阀和关阀的准确时刻的提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法。
本发明提供的这种提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，该方法包括开阀判断方法和关阀判断方法，
定义原始数据组为时间上连续的M个原始数据存储在一个循环数组中；原始数据为每250毫秒所做的超声波在水中顺逆流中的传播时间差的采样数据；有效的原始数据值记为G，无效的原始数据值记为B；主累积流量为在保证流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值；临时累积流量为在无法确保流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值；定义AVP为在正常计量过程中，最近M个连续为G值的原始数据的滑动平均值；定义AVX为关阀或异常处理流程下，连续M个原始数据中G值的平均值；
(1)开阀判断方法；
步骤1，原始数据组清零，置全部数据为B值；停止主累积流量计量，停止临时累积流量计量；开始检测原始数据；
步骤2，当检测到当前原始数据为G值时，启动临时累积流量计量，停止主累积流量计量，开始开阀的判断；将此次计量结果记入临时累积流量，同时将当前的原始数据放入原始数据组；
步骤3，再连续读取N个原始数据，若该N个原始数据均为G值，即获取到连续的N+1个具有G值的原始数据，则判断为开阀，将获取的N+1个临时累积流量计量补入主累积流量计量中，临时累积流量清零，流量进入正常的计量，启动主累积流量计量，停止临时累积流量计量；其中，N和M必须为正整数，且(N+1)/M＝75％，M≥8；
(2)关阀判断方法；
步骤4，在流量进行正常的计量过程中，当原始数据组出现1个B值或出现当前G值小于前一次G值的一半时，启动关阀的判断；停止主累积流量的计量，启动临时累积流量的计量；再连续读取M-1个最新原始数据，将每次的计量结果计入临时累积流量，同时将此原始数据放入原始数据组；
步骤5，获取所述AVP值和所述AVX值；
步骤6，当原始数据组中原始数据为B值的比例大于60％时，或当原始数据组中原始数据为B值的比例为30％～60％且AVX＜0.75AVP成立时，则判断为关阀，将该所有为B值的原始数据丢弃，并将临时累积流量清零。
所述无效的原始数据值是表示超声波在水中顺逆流中的传播时间差小于500皮秒、测量过程中出现异常或水中顺逆流中的传播时间差为负值的原始数据值。
所述步骤2中检测到当前原始数据为B值时，转至步骤1，重新进行开阀的判断。
所述步骤3中连续读取的N个原始数据中有一个为B值，则判断不是开阀，清除临时累积流量计量，转至步骤1，重新进行开阀的判断。
所述步骤6中当原始数据组中原始数据为B值的比例小于30％时，启动异常处理流程，确认为流量的跳变，启动补偿算法，即用B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累积流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
所述步骤6中当原始数据组中原始数据为B值的比例为30％～60％，则确定为原始数据丢失，启动异常处理流程；如果AVX≥0.75AVP成立时，则确定为原始数据丢失，启动补偿算法，用B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累计流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
本发明通过监测在开关阀过程中原始数据的变化，精准的判断开关阀的时刻，同时引入了主累积流量和临时累积流量数据，只有通过判断是真正计量的临时累积流量才会补入主累积流量中，否则将抛弃，不计入主累积流量中，由此保证了表计在整个测量过程中的累积体积的准确性，从而避免多计。此外，本发明还能够保证表计误差不会产生跳变，从而进一步地提高了流量误差的一致性。
附图说明
图1是本发明的超声波流体流量测量示意图。
图2是本发明的开阀判断及处理流程图。
图3是本发明的关阀判断和数据异常处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要适应于时差式超声波热量表的流量测量：应用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。
时差式流量测量方法首先按下列公式获取相关时间数据。
式中，L1为声波在液体中两反射面之间的传播的长度；L2为声波在液体中反射面与换能器之间的传播的长度；D为管道内径；C为静止时声波在液体中传播的速度；V为管内流体沿管轴向的平均流速；T1为声束在正方向上的传播时间；T2为声束在逆方向上的传播时间；△T为声束在正逆两个方向上的传播时间差。
获取上述时间数据后，再按下式计算出瞬时流量q。
实际环境中，因C>1400m/s，V<10m/s；故C2>>V2，V值可忽略不计，则由式(3)得
管道内的瞬时流量：
由式(4)和式(5)式可得：
其中，D、C和L2是常数；C值可通过查表法得到；而△T是通过测量得到，因此△T(即超声波在水中顺逆流中的传播时间差)的测量准确性是保证流量精度和误差一致性的最重要的因素。
本发明通过监测在测量过程中开关阀时刻超声波在水中顺逆流中的传播时间差的采样原始数据ΔT的变化，精准的判断开阀与关阀的时刻。
在实施本发明之前，先要进行如下定义或设定。
1、原始数据与原始数据组的说明及处理。
原始数据ΔT是指每250毫秒所做的超声波在水中顺逆流中的传播时间差的采样数据。
原始数据组是时间上连续的M个原始数据存储在一个循环数组中。表1所示为M＝8时，本发明的原始数据组中各个原始数据的排布情况。
表1：
ΔTi-7 ΔTi-6 ΔTi-5 ΔTi-4 ΔTi-3 ΔTi-2 ΔTi-1 ΔTi
为了更好的阐述，本发明用G(Good)表示有效的原始数据值；用B(Bad)表示无效的原始数据值。其中，无效的原始数据值是表示超声波在水中顺逆流中的传播时间差小于500皮秒、测量过程中出现异常或者水中顺逆流中的传播时间差为负值的情况。
2、主累积流量与临时累积流量的说明。
主累积流量是指在保证流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值。
临时累积流量是指在无法确保流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值。
本发明包括开阀判断方法和关阀判断方法，两种方法分别用于精准的判断开阀和关阀的时刻。
如图2所示，本发明的开阀判断及处理流程详述如下。
设定：原始数据组包括8个原始数据，即M为8。
(1)首先将原始数据组清零，全部8个数据均为B值。
(2)停止主累积流量和临时累积流量的计量。开始检测原始数据。
(3)当检测到最新的原始数据为B值时，重新回到第一步，重新进行开阀的判断。
当检测到最新的原始数据为G值时，启动临时累积流量的计量，停止主累积流量的计量；将此次计量结果计入临时累积流量，同时将原始数据放入原始数据组。转至步骤(4)，开始开阀的判断。
(4)读取最新原始数据，将每次的计量结果计入临时累积流量，同时将此原始数据放入原始数据组。
(5)看是否已读取5个原始数据，若是，则将每次读取的原始数据计入临时累积流量中；否则继续读取原始数据。
(6)判断这5个原始数据是否都为G值，即，是否已连续出现了6个为G值的原始数据(包括触发进行开阀判断的那个为G值的原始数据)。
(7)如果连续出现6个G，则判断为开阀，将6次的临时累积流量补入主累积流量中，并将临时累积流量数据清零，流量进入正常的计量，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
如果没有连续出现6个G，则判断不是开阀，则清除临时累积流量，转至步骤(1)，重新进行开阀的判断。
如图3所示，本发明的关阀判断和数据异常处理流程详述如下。
(1)定义AV8为在正常计量过程中，最近8个连续为G值的原始数据的滑动平均值。在流量进行正常的计量过程中，始终从当前值开始，保存连续的最近8次原始数据。
(2)在流量进行正常的计量过程中，当原始数据组出现1个B值或出现当前G值比前一次的G值小于一半的情况时，启动关阀或异常处理流程。
(3)在关阀或异常处理处理流程下，停止主累积流量的计量，启动临时累积流量的计量。
(4)定义AVX为关阀或异常处理流程下，连续8个原始数据中G值的平均值。
(5)当上述8次数据中，出现B值的次数小于等于2次，确认为流量的跳变，启动补偿算法：用当前B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累积流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
当上述8次数据中个原始数据中，出现B值的次数等于3次或等于4次时，
如果AVX≥0.75AV8成立，确定为原始数据丢失，启动补偿算法：用B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累计流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
否则，确定为关阀，将本8次数据丢弃，临时累计流量清零。
当上述8次数据中，出现B值的次数大于等于5次，确认已经关阀，将此8次数据丢弃，临时累计流量清零。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
假设对DN20的时差式超声波热量表在50度水温下进行常用流量点的流量检测，用比较简单的方式来判断流量误差的一致性，即共检测3次，得到3个误差数值，最大误差与最小误差的差值就是表计流量误差的一致性。每次检测的时间为1分钟，检测的标准体积为50升，每250毫秒得到1个超声波在水中顺逆流中的传播时间差的采样数据ΔT皮秒。而瞬时流量q与ΔT的转换关系在前面的说明中已经讲到(见公式(6))，即：q＝K×ΔT(m3/h)，其中，DN20的时差式超声波热量表在50度水温下的K值为10，则q＝10×ΔT(m3/h)。
本发明的关键在于超声波热量表在开阀和关阀时的处理。以下通过与现有普通方法在开阀和关阀时误差一致性的对比，验证本发明的有效性和优越性。假设在3次检测过程中，只有在开阀和关阀时的原始测量数据ΔT是不同的，在检测过程中的原始测量数据是相同的，通过这样方式的比较就能很简单的进行证明。下面是所有测量的ΔT数据，按顺序如下：
说明：普通方法中，如果ΔT的值小于500皮秒或负值，认为是异常值，其他的数据均累计流量的计算。
(1)第一次测量对比。
开阀时的数据见表2，为16个时间连续的原始数据，从表2的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表2：
Ⅰ -60 262 6456 8598 -91 -114 -133 45
Ⅱ -48 -136 89980 108990 1372660 145320 186570 208954
中间过程为进入正常计量阶段，此处的原始数据省略不计。
关阀的数据见表3，为16个时间连续的原始数据，从表3的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表3：
Ⅰ 237690 236583 236295 238775 237338 237694 237582 237139
Ⅱ -156 -189 24850 -110 21840 13360 -80 -56
按照普通方法在开阀和关阀时将多计的体积值为0.52升。
按照本发明在开阀和关阀时将多计的体积值为：0升。
(2)第二次测量数据。
开阀时的数据见表4，为16个时间连续的原始数据，从表4的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表4：
Ⅰ -60 -80 -85 -100 -91 -114 -133 45
Ⅱ -48 -136 89980 108990 1372660 145320 186570 208954
中间过程为进入正常计量阶段，此处的原始数据省略不计。
关阀的数据见表5，为16个时间连续的原始数据，从表5的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表5：
Ⅰ 237690 236583 236295 238775 237338 237694 237582 237139
Ⅱ -156 -179 -120 -110 -50 -90 -80 -56
按照普通方法在开阀和关阀时将多计的体积值为0升。
按照本发明在开阀和关阀时将多计的体积值为：0升。
(3)第三次测量数据。
开阀时的数据见表6，为16个时间连续的原始数据，从表6的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表6：
Ⅰ 780 890 759 689 -91 -114 -133 45
Ⅱ -48 -136 89980 108990 1372660 145320 186570 208954
中间过程为进入正常计量阶段，此处的原始数据省略不计。
关阀的数据见表7，为16个时间连续的原始数据，从表3的第Ⅰ行最左端至第Ⅱ行最右端。
表7：
按照普通方法在开阀和关阀时将多计的体积值为0.7升。
按照本发明在开阀和关阀时将多计的体积值为：0升。
从上面三次的检测结果可以看出：
1、按照普通方法计算3次的最大跳变为：最多一次多计的体积为0.7升，最小一次多计的体积为0升，测量的标准体积为50升，那么按照普通方法计算得到的表计的流量误差的一致性为1.4％。
2、按照本发明方法计算3次的最大跳变为：最多一次多计的体积为0升，最小一次的体积为0升，测量的标准体积为50升，那么按照本发明方法计算得到的表计的流量误差的一致性为0.0％。
由此可见，通过本发明超声波热量表的流量误差的一致性可以提高1.4％(一致性误差越大说明一致性不好。

Claims (5)

1.一种提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，其特征在于，该方法包括开阀判断方法和关阀判断方法，
定义原始数据组为时间上连续的M个原始数据存储在一个循环数组中；原始数据为每250毫秒所做的超声波在水中顺逆流中的传播时间差的采样数据；有效的原始数据值记为G，无效的原始数据值记为B，所述的无效的原始数据值是表示超声波在水中顺逆流中的传播时间差小于500皮秒、测量过程中出现异常或者水中顺逆流中的传播时间差为负值的情况；主累积流量为在保证流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值；临时累积流量为在无法确保流量在进行正常计量的情况下，每250毫秒所做的流量体积的累加值；定义AVP为在正常计量过程中，最近M个连续为G值的原始数据的滑动平均值；定义AVX为关阀或异常处理流程下，连续M个原始数据中G值的平均值；
(1)开阀判断方法；
步骤1，原始数据组清零，置全部数据为B值；停止主累积流量计量，停止临时累积流量计量；开始检测原始数据；
步骤2，当检测到当前原始数据为G值时，启动临时累积流量计量，停止主累积流量计量，开始开阀的判断；将此次计量结果记入临时累积流量，同时将当前的原始数据放入原始数据组；
步骤3，再连续读取N个原始数据，若该N个原始数据均为G值，即获取到连续的N+1个具有G值的原始数据，则判断为开阀，将获取的N+1个临时累积流量计量补入主累积流量计量中，临时累积流量清零，流量进入正常的计量，启动主累积流量计量，停止临时累积流量计量；其中，N和M必须为正整数，且(N+1)/M＝75％，M≥8；
(2)关阀判断方法；
步骤4，在流量进行正常的计量过程中，当原始数据组出现1个B值或出现当前G值小于前一次G值的一半时，启动关阀的判断；停止主累积流量的计量，启动临时累积流量的计量；再连续读取M-1个最新原始数据，将每次的计量结果计入临时累积流量，同时将此原始数据放入原始数据组；
步骤5，获取所述AVP值和所述AVX值；
步骤6，当原始数据组中原始数据为B值的比例大于60％时，或当原始数据组中原始数据为B值的比例为30％～60％且AVX＜0.75AVP成立时，则判断为关阀，将该所有为B值的原始数据丢弃，并将临时累积流量清零。
2.根据权利要求1所述的提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，其特征在于，所述步骤2中检测到当前原始数据为B值时，转至步骤1，重新进行开阀的判断。
3.根据权利要求1所述的提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，其特征在于，所述步骤3中连续读取的N个原始数据中有一个为B值，则判断不是开阀，清除临时累积流量计量，转至步骤1，重新进行开阀的判断。
4.根据权利要求1所述的提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，其特征在于，所述步骤6中当原始数据组中原始数据为B值的比例小于30％时，启动异常处理流程，确认为流量的跳变，启动补偿算法，即用B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累积流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
5.根据权利要求1所述的提高时差式超声波热量表流量测量误差一致性的方法，其特征在于，所述步骤6中当原始数据组中原始数据为B值的比例为30％～60％，则确定为原始数据丢失，启动异常处理流程；如果AVX≥0.75AVP成立时，则确定为原始数据丢失，启动补偿算法，用B值后面的G值将此B值替换，将计算后的临时累计流量补入主累计流量中，临时累计流量清零，启动主累积流量的计量，停止临时累积流量的计量。
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