CN116046116A - 一种基于Lobe算法的超声波水表流量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Lobe算法的超声波水表流量校准方法。本发明涉及一种超声波水表流量测定的校准方法。通过将换能器信号进行采样，得到时间与幅值的关系，计算换能器回波信号与回波信号差值最终转化为瞬时流量。校准信号的相位提高超声波流量测定的精度，减少在测定时因压力、波动等不利因素而导致的误差，从而提高超声波水表流量测量的准确度。同时根据实际测量对算法进行优化以达到降低功耗的目的。

Description

一种基于Lobe算法的超声波水表流量校准方法

技术领域

本申请为超声波水表流量测量技术领域，在时差法为超声波流量测量方法时，以Lobe算法做超声波水表的流量校方法。

背景技术

随着经济技术的不断发展，水表的计量技术也逐渐向高精度化，智能化与***化的方向发展。传统的机械水表也从单一的计量功能转化为融入互联网应用，将计量、检测、控制融为一体的智能化水表。超声波水表是利用超声波流量检测原理，在额定工况下检测、显示瞬时流量，并将流量累计的仪表。由于没有机械运动部件，压力损失小，可测定的流量范围大，同时可实现数字化管理，对我国水表产业的数字化发展与转型有着重要的意义。

在超声波流量测定方法上目前以时差法作为超声波水表的主要测量方法，但由于测定的时间差为纳秒级，水中的回波信号会受到杂质，气泡等因素影响。波动导致的时间偏差会对测量的流量结果产生影响。所以其校准方式也就成为限制超声波水表发展的主要限制因素。

以Lobe做为超声波水表的校准方式其主要特点是根据波段对信号进行校准，减少特殊工况对超声波回波信号的影响，从而导致跳波的情况。

发明内容

减少因波动导致的测量误差，本发明提供一种基于Lobe校准时差，从而实现稳定测量的方法。该发明可以提高ADC(Analog-to-Digital Converter)布置模数转换器结果非线性关系的准确性，提高超声波传输时间以及信号之间的相对精度。校准后有效减少超声波流量测量的误差。

其中，ADC是用于完成传感器的模拟值转换成数字量，以便于传输和处理。Lobe算法为一种通过机器学习的方法来构建AI模型的应用。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

S1、获取在对应超声波流量测定装置在水表工作状态下的设备参数。

S2、建立水表流量测量模型，对流量进行计算。将管内的液体流速根据测量的结果可以转化为管道内液体流速v与换能器声波飞行时间差T₂₁-T₁₂之间的关系，记作ΔT。如公式1、2所示。

公式1

公式2

同理将管内瞬时流量根据Q＝SV，转化为瞬时流量与换能器声波飞行时间差之间的关系如公式3所示。

公式3

式中，Q为管内瞬时流量，D为管道内表面直径，L为水管中声波的传输长度。φ为声波传输路径与管道之间的夹角。T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差。

根据得到式中，Q为管内瞬时流量，L为水管中声波的传输长度。φ为声波传输路径与管道之间的夹角。T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间。

根据瞬时流量与换能器声波飞行时间差ΔT之间的关系，可以将获得高精度瞬时流量的方法转化为获取高精度的飞行时间差ΔT。

S3、以高速ADC采样得到的信号进行拟合，得到上行或下行的波段，使用插值法计算每个包络的极值点并找到最大值。后称ADC采样图。

S4、在ADC采样图中以其中以一定的阈值比例做阈值线，并寻找离阈值线最近的波瓣。在整个计量时间中以一个离阈值线最近的波瓣峰值点作为起点，到下一个离阈值线最近的波瓣峰值点为终点。计量得到的时间差即为记录的换能器声波飞行时间T。

S5、在实际测量中为使得算法简化，以达到降低功耗的目的。在测量中将测量过的ADC采样图波峰的最大值记录下来，即保留同样的阈值比例做为阈值线。以该阈值线作为下一次信号采集所使用的阈值线。

S6、在新的阈值线寻找距离最近的波瓣，并记录记录的换能器声波飞行时间。当新的飞行时间大于一个ADC采样周期时，则需要重新计算该波段的最大值，阈值，以及距离阈值线最近的波瓣。

S7、根据线相关算法进行计算流量与换能器声波飞行时间差ΔT。在该相关度最大值点，信号的偏移量即为两个信号声波飞行时间差ΔT。

S8、根据两个信号波的飞行时间之差，决定是否周需要进行偏移计算，并计算偏移量。

S9、根据实际需求使用的管道以及换能器对Constant进行标定。从而获取水表的瞬时流量计算结果。将水表的瞬时流量通过积分器累加获得最终流量结果。

公式4

式中，Constant为根据实际需求使用的管道以及换能器进行标定得到的常量，T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

优先地，获取在对应超声波流量测定装置在工作状态下的设备参数。水管中声波传输长度L：测量以对角布置的超声波设备转换器。两个转换器分别布置在管道上游和下游，其二者的间距为水管中声波的传输长度L。通过直接测量得到水管管道内表面直径D、声波传输路径与管道之间的夹角φ。转换器1和转换器2依次收发超声波信号，实现相位差的检测。从换能器1至换能器2的声波飞行时间记为T₁₂、从换能器2至换能器1的声波飞行时间记为T₂₁。

优先地，建立水表流量测量模型，对流量进行计算。其中管内的液体流速V根据测量的结果可以转化为与换能器声波飞行时间差T₂₁-T₁₂之间的关系，记作ΔT。如公式1、2所示。

式中，Q为管内瞬时流量，L为水管中声波的传输长度。φ为声波传输路径与管道之间的夹角。T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间。

同理管内瞬时流量也可以根据瞬时流量等于截面面积与流速之积，将管道内瞬时流量Q的表达式转化为换能器声波飞行时间之差ΔT之间的关系如公式3所示。

式中，Q为管内瞬时流量，D为管道内表面直径，L为水管中声波的传输长度。φ为声波传输路径与管道之间的夹角。T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差。

根据得到的瞬时流量Q与换能器声波飞行时间差ΔT之间的关系，可以将获得高精度瞬时流量的方法转化为获取高精度的飞行时间差ΔT。优先地，由ADC采样***将换能器信号进行采样，获取超声波流量测量装置的离散信号点。将采集得到的离散信号进行余弦拟合，得到上行或下行以时间为X轴，以幅值为Y轴的波段，后称ADC采样图。并使用插值法计算每个包络的极值点并找到最大值。

优先地，在ADC采样图中以其中以0.3倍的阈值比例做阈值线，并寻找离阈值线最近的波瓣。在整个计量时间中以一个离阈值线最近的波瓣峰值点作为起点，到下一个离阈值线最近的波瓣峰值点为终点。计量得到的时间差即为记录的换能器声波飞行时间T。

优先地，在实际测量中为使得算法简化，以达到降低功耗的目的。在测量中将测量过的ADC采样图的波峰最大值记录下来，即保留同样的阈值比例做为阈值线。以该阈值线作为下一次信号采集所使用的阈值线。

优先地，在新的阈值线寻找垂直距离最近的波瓣，并记录换能器的声波飞行时间，计量得到的结果即为新的换能器声波飞行时间T。但当新的飞行时间大于一个ADC采样周期时，该计量结果被判定为失效，需要重新计算该波段的最大值，阈值，以及距离阈值线最近的波瓣。

优先地，流量与换能器声波飞行时间差ΔT的计算是根据线相关算法进行计算。在ADC采样图中绘制出与幅值和时间相关的T₂₁与T₁₂信号。为使得信号精度最高、信噪比最大，通常选取幅值最大的处的峰值点用做波形计算。把同一个时间点信号保留正负号的幅值做乘积，当两个信号在时间轴上没有交集信号时，其二者的相关度为0。将其中一个信号不断向左偏移，当两路信号完全重叠的时候，这两种信号在该相位角的相关度是最大的。在该相关度最大值点，信号的偏移量即为两个信号声波飞行时间差ΔT。

优先地，在实际运行中为减少运算量，首先将两个信号偏移到产生交集的同一个周期内，再进行偏移计算。具体的信号移动周期，根据两个信号波的飞行时间之差决定，当飞行时间差小于一个周期时不需要进行偏移，当声波飞行时间差ΔT大于一个ADC采样周期时，声波飞行时间差等于偏移的周期加上信号的偏移量。

优先地，在完成声波飞行时间T₂₁与T₁₂以及声波飞行时间差ΔT的计算后，瞬时流量的计算公式可以转化为公式4。其中Constant根据实际需求使用的管道以及换能器进行标定。从而获取水表的瞬时流量计算结果。将水表的顺时流量通过积分器进行累加获得最终流量结果。

式中，Constant为根据实际需求使用的管道以及换能器进行标定得到的常量，T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差。

综上所述，本发明能够解决在以时差法作为超声波流量方法，减少因复杂工况而导致的错波误差，提高时间测量的准确性和稳定性，从而保证超声波流量测量数据的准确可靠。同时考虑时间和经济成本对算法进行优化。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于Lobe算法的超声波水表流量校准方法，其特征是：

S1、获取在对应超声波流量测定装置在水表工作状态下的设备参数；

S2、建立水表流量测量模型，对流量进行计算，将管内的液体流速根据测量的结果可以转化为管道内液体流速v与换能器声波飞行时间差T₂₁-T₁₂之间的关系，记作ΔT，

公式1

公式2

同理将管内瞬时流量根据Q＝SV，转化为瞬时流量与换能器声波飞行时间差之间的关系如公式3，

公式3

式中，Q为管内瞬时流量，D为管道内表面直径，L为水管中声波的传输长度，φ为声波传输路径与管道之间的夹角，T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差，

根据得到式中，Q为管内瞬时流量，L为水管中声波的传输长度，φ为声波传输路径与管道之间的夹角，T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间，

根据瞬时流量与换能器声波飞行时间差ΔT之间的关系，将获得高精度瞬时流量的方法转化为获取高精度的飞行时间差ΔT；

S3、以高速ADC采样得到的信号进行拟合，得到上行或下行的波段，使用插值法计算每个包络的极值点并找到最大值，称ADC采样图；

S4、在ADC采样图中以其中以一定的阈值比例做阈值线，并寻找离阈值线最近的波瓣，在整个计量时间中以一个离阈值线最近的波瓣峰值点作为起点，到下一个离阈值线最近的波瓣峰值点为终点，计量得到的时间差即为记录的换能器声波飞行时间T；

S5、在实际测量中为使得算法简化，以达到降低功耗的目的，在测量中将测量过的ADC采样图波峰的最大值记录下来，即保留同样的阈值比例做为阈值线，以该阈值线作为下一次信号采集所使用的阈值线；

S6、在新的阈值线寻找距离最近的波瓣，并记录记录的换能器声波飞行时间，当新的飞行时间大于一个ADC采样周期时，则需要重新计算该波段的最大值，阈值，以及距离阈值线最近的波瓣；

S7、根据线相关算法进行计算流量与换能器声波飞行时间差ΔT，在该相关度最大值点，信号的偏移量即为两个信号声波飞行时间差ΔT；

S8、根据两个信号波的飞行时间之差，决定是否周需要进行偏移计算，并计算偏移量；

S9、根据实际需求使用的管道以及换能器对Constant进行标定，从而获取水表的瞬时流量计算结果，将水表的瞬时流量通过积分器累加获得最终流量结果，

公式4

式中，Constant为根据实际需求使用的管道以及换能器进行标定得到的常量，T₁₂为从换能器1至换能器2的声波飞行时间、T₂₁为从换能器2至换能器1的声波飞行时间、ΔT为换能器声波飞行时间差。

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