CN115655423B - 一种超声波燃气表的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波燃气表的校准方法，包括步骤：将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差；根据个体时差误差，获取瞬时流速公式；通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式；计算误差权重函数；并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数；将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格；若不合格，则针对不合格的超声波燃气表单独重复实施上述步骤，以获取该超声波燃气表的待估计参数。本方案可先消除各个超声波燃气表的个体误差，而后批量化校准超声波燃气表，在保证1.5级计量精度的前提下大幅提升生产效率。

Description

一种超声波燃气表的校准方法

技术领域

本发明涉及超声波校准技术领域，特别涉及一种超声波燃气表的校准方法。

背景技术

在燃气计量领域中，目前使用最多的远传燃气表为膜式燃气表，但其存在结构复杂、易产生机械磨损、计量精度逐渐劣化等缺点。超声波燃气表作为一种纯数字式的计量仪器，因其工作性能稳定、远程抄表安全高效、计量精度可靠、易实现数字化，而成为一种必然的发展趋势。

然而，由于超声波燃气表中的计量模组存在个体差异，如超声换能器、气体流道、电子元器件等，导致每只超声波燃气表的表内计算流量与实际流量存在误差，需通过校验后方可投入市场。

发明内容

本发明的目的在于对批量化生产的超声波燃气表的流量测量精度进行校准，提供一种超声波燃气表的校准方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种超声波燃气表的校准方法，包括以下步骤：

步骤1，将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差；根据个体时差误差，获取瞬时流速公式；通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式；

步骤2，计算误差权重函数；并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数；

步骤3，将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格；

步骤4，若合格，则结束；若不合格，则针对不合格的超声波燃气表单独重复实施步骤1～步骤3，以获取该超声波燃气表的待估计参数。

步骤1中所述将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差的步骤，包括：

测量超声波信号的上飞信号的飞行时间t_u，和下飞信号的飞行时间t_d，计算上下飞时间差∆t=t_d-t_u；

计算平均个体时差误差：

，其中n为测量总次数。

步骤1中所述根据个体时差误差，获取瞬时流速公式的步骤，包括：

获取上飞信号的飞行时间估算式：

获取下飞信号的飞行时间估算式：

其中，D为流道高度；

为超声波信号与流道的水平方向的夹角；c为声速；v_z0为估算瞬时流速，有：

将平均个体时差误差

写回估算瞬时流速v_z0，获得瞬时流速公式：

其中，v_z为瞬时流速。

步骤1中所述通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式的步骤，包括：

其中，v为瞬时流量；a、b为待估计参数。

步骤2中所述计算误差权重函数的步骤，包括：

计算误差权重函数：

其中，

为误差权重函数；

为实际流量。

步骤2中所述并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数的步骤，包括：

融合误差权重函数

和实际流量

，得到目标函数L：

其中，minL表示使目标函数L达到最小值；

目标函数L对待估计参数a、b的偏导数分别为：

当目标函数L达到最小值minL时，应满足

，有：

通过上式，计算出待估计参数a、b。

步骤3中所述将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格的步骤，包括：

将待估计参数a、b代入瞬时流量公式

，设定阈值∆v，若

，则判断超声波燃气表测试合格。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明首先对每只超声波燃气表进行零流量校准，再使用加权的最小二乘法确定超声波燃气表的待估计参数a、b（也即校准系数），最后对测试不合格的超声波燃气表做单独的系数校验。本方案可先消除各个超声波燃气表的个体误差，而后批量化校准超声波燃气表，在保证1.5级计量精度的前提下大幅提升生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例校准方法流程图；

图2为本发明实施例流道中换能器设置示意图；

图3为本发明实施例流道中换能器另一种设置示意图；

图4为本发明实施例误差权重函数图像示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。另外，术语“相连”、“连接”等可以是元件之间直接相连，也可以是经由其他元件的间接相连。

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种超声波燃气表的校准方法，包括以下步骤：

步骤1，将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差；根据个体时差误差，获取瞬时流速公式；通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式。

超声波燃气表的原理是依靠一对换能器采集声波信号，根据飞行时差法测量流体的估算瞬时流速v_z0，而后可换算为估算瞬时流量v₀。以反射式的流道为例，如图2所示的A和B是一对换能器，发射的超声波信号与流道的水平方向夹角为

，流道高度为D。另一种直射式流道，如图3所示的A和B是一对换能器。

测量时，换能器A和换能器B分别交替发送和接受超声波信号，其中由换能器A发射，换能器B接收的超声波信号沿待测量气体的顺流方向传递，称为“上飞信号”，图2或图3中水平箭头方向为待测量气体的顺流方向；反之，由换能器B发射，换能器A接收的超声波信号沿待测量提起的逆流方向传递，称为“下飞信号”。记上飞信号的飞行时间为t_u，下飞信号的飞行时间为t_d，而对应的飞行时间估算式为：

可推导出估算瞬时流速v_z0为：

（1）

而后，将估算瞬时流速v_z0换算为估算瞬时流量v₀时，需考虑流道横截面积的值，由于超声波燃气表受到如模具光洁面、换能器角度之类的个体差异影响，实际的瞬时流量v₀应记为：

（2）

其中，k为待估计参数，且个体之间存在差异。

为保证计量精度同时提高生产效率，本方案首先进行零流量校准，将超声波燃气表置于标准测试温度下并保证处于零流量进行校准，校准过程持续5min以上，在此期间以125ms/次的频率不断测量上下飞时间差∆t=t_d-t_u，接着计算平均个体时差误差：

，其中n为测量总次数。

然后将平均个体时差误差

写回式（1），获得瞬时流速公式：

其中，v_z为瞬时流速。

为将瞬时流速v_z精准映射到瞬时流量v，通过加权的最小二乘法拟合校准系数，为进一步缩小超声波燃气表个体差异造成的影响，对式（2）进行改变：

（3）

其中，v为瞬时流量；a、b为待估计参数。

步骤2，计算误差权重函数；并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数。

不同于一般的最小二乘法，本方案中的加权最小二乘法旨在最小化整体的误差百分比。添加误差权重函数

用于引导拟合重点：

其中，

为实际流量，是测量时仪器释放的实际流量。

误差权重函数的图像如图4所示，横坐标为实际流量

，纵坐标为误差权重函数

的值（%）。为符合国家标准要求，即

时，误差权重函数

不超过±3%；

时，误差权重函数

不超过±1.5%。

融合误差权重函数

和实际流量

，得到目标函数L：

其中，minL表示使目标函数L达到最小值；

目标函数L对待估计参数a、b的偏导数分别为：

当目标函数L达到最小值minL时，应满足

，有：

通过上式，计算出待估计参数a、b。

步骤3，将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格。

由加权最小二乘法获得的参数可作为当前批次的超声波燃气表的通用参数，因此理论上具有一定的普遍性，且经过工程验证，大部分超声波燃气表可通过1.5级表的测试（

<±1.5%）。

将待估计参数a、b代入式（3），预先设定阈值∆v，若

，则判断超声波燃气表测试合格投入市场；否则，判断超声波燃气表测试不合格。

步骤4，若合格，则结束；若不合格，则针对不合格的超声波燃气表单独重复实施步骤1～步骤3，以获取该超声波燃气表的待估计参数。

为进一步校验计量精度，对于步骤3中测试不合格的超声波燃气表单独重复实施步骤1～步骤3，得到该超声波燃气表对应的待估计参数a`、b`，将待估计参数a`、b`代入式（3），有

。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种超声波燃气表的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差；根据个体时差误差，获取瞬时流速公式；通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式；

步骤1中所述将所有超声波燃气表置于零流量下，获取平均个体时差误差的步骤，包括：

测量超声波信号的上飞信号的飞行时间t_u，和下飞信号的飞行时间t_d，计算上下飞时间差∆t=t_d-t_u；

计算平均个体时差误差：

，其中n为测量总次数；

步骤1中所述根据个体时差误差，获取瞬时流速公式的步骤，包括：

获取上飞信号的飞行时间估算式：

获取下飞信号的飞行时间估算式：

其中，D为流道高度；

为超声波信号与流道的水平方向的夹角；c为声速；v_z0为估算瞬时流速，有：

将平均个体时差误差

写回估算瞬时流速v_z0，获得瞬时流速公式：

其中，v_z为瞬时流速；

步骤1中所述通过最小二乘法将瞬时流速公式转换为瞬时流量公式的步骤，包括：

其中，v为瞬时流量；a、b为待估计参数；

步骤2，计算误差权重函数；并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数；

步骤2中所述计算误差权重函数的步骤，包括：

计算误差权重函数：

其中，

为误差权重函数；

为实际流量；

步骤2中所述并基于实际流量获得目标函数，根据目标函数得到待估计参数的步骤，包括：

融合误差权重函数

和实际流量

，得到目标函数L：

其中，minL表示使目标函数L达到最小值；

目标函数L对待估计参数a、b的偏导数分别为：

当目标函数L达到最小值minL时，应满足

，有：

通过上式，计算出待估计参数a、b；

步骤3，将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格；

步骤3中所述将待估计参数代入瞬时流量公式，通过瞬时流量公式判断各个超声波燃气表是否测试合格的步骤，包括：

将待估计参数a、b代入瞬时流量公式

，设定阈值∆v，若

，则判断超声波燃气表测试合格；

步骤4，若合格，则结束；若不合格，则针对不合格的超声波燃气表单独重复实施步骤1～步骤3，以获取该超声波燃气表的待估计参数。

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