[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)卡爾曼濾波器的時(shí)差超聲波流量測(cè)量方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011364228.0
• 申請(qǐng)日: 2020-11-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112484798A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 不公告發(fā)明人
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西中科智慧水產(chǎn)業(yè)研究股份有限公司
• 主分類號(hào): G01F1/66
• 分類號(hào): G01F1/66;G01P5/24;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 江西省專利事務(wù)所 36100
• 代理人: 殷勇剛

1.一種基于改進(jìn)卡爾曼濾波器的時(shí)差超聲波流量測(cè)量方法，其步驟包括，

步驟(1)、時(shí)差信號(hào)測(cè)量：

沿水流方向前后設(shè)置第一超聲波換能器P1和第二超聲波換能器P2；規(guī)定換能器與反射片的距離為s，超聲波在水中的速度為c，反射片與水平面夾角為45°，兩反射片的中心距離為L(zhǎng)，管道直徑為D，水的正向流速即線速度v_l為v；

第一超聲波換能器P1發(fā)出超聲波脈沖，在第二超聲波換能器P2上接收超聲波脈沖，并計(jì)算接收到超聲波時(shí)刻和發(fā)送超聲波時(shí)刻的時(shí)間差t₁₂，則有：

通過(guò)第二超聲波換能器P2發(fā)出超聲波脈沖，在第一超聲波換能器P1上接收超聲波脈沖，并計(jì)算接收到超聲波時(shí)刻和發(fā)送超聲波時(shí)刻的時(shí)間差t₂₁，則有：

最后，獲得時(shí)間差Δt＝t₂₁-t₁₂，根據(jù)式(1)和式(2)，可求得順逆流時(shí)間差Δt：

步驟(2)、時(shí)差信號(hào)的濾波：

濾波處理是為了去掉原始數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差，在超聲波流量測(cè)量裝置中，由于測(cè)量過(guò)程會(huì)引入外部噪聲，使得測(cè)量結(jié)果與實(shí)際流速值產(chǎn)生一定偏差值，偏差值的大小與流體中是否有氣泡或顆粒物、超聲波信號(hào)質(zhì)量、電路板PCB布局、溫度補(bǔ)償超聲波聲速值誤差、外部電磁干擾等有關(guān)，為了減少外部噪聲對(duì)超聲波水表的干擾，提高水表的精度，需要對(duì)測(cè)得的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；

用x_k表示k時(shí)刻的時(shí)差Δt(kT]的狀態(tài)值，其中T為采樣周期，具體如下：

x_k＝Δt(kT]；

在卡爾曼濾波器中，系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：

x_k＝Φ_k-1x_k-1+w_k-1， (4)；

式中，x_k為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，x_k-1為k-1時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，Φ_k-1為k-1時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，w_k-1為k-1時(shí)刻的系統(tǒng)噪聲，Q_k為k時(shí)刻的系統(tǒng)噪聲；

用z_k表示時(shí)刻k時(shí)時(shí)差Δt(kT]的測(cè)量值，則時(shí)差Δt的測(cè)量方程如下：

z_k＝H_kx_k+v_k， (6)；

式中，H_k表示k時(shí)刻的測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)，v_k為k時(shí)刻的測(cè)量噪聲，R_k為k時(shí)刻的測(cè)量噪聲的協(xié)方差矩陣；

在系統(tǒng)中定義Φ_k-1＝1、H_k＝1，那么，時(shí)差數(shù)據(jù)的改進(jìn)卡爾曼濾波方法如下；

(2.1)、初始條件計(jì)算：

式中，E[···]表示數(shù)學(xué)期望運(yùn)算，表示0時(shí)刻的狀態(tài)值，P₀(+)表示0時(shí)刻的誤差協(xié)方差；

(2.2)、利用k-1時(shí)刻的誤差協(xié)方差P_k-1(+)、k-1時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ_k-1和k-1時(shí)刻的系統(tǒng)噪聲Q_k-1，計(jì)算k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測(cè)和誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)P_k(-)，具體如下：

(2.3)、利用k時(shí)刻的誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)P_k(-)、k時(shí)刻的測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)H_k和k時(shí)刻的測(cè)量噪聲的協(xié)方差矩陣R_k，計(jì)算k時(shí)刻的卡爾曼增益

(2.4)、利用k時(shí)刻的卡爾曼增益和誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)P_k(-)，計(jì)算k時(shí)刻的誤差協(xié)方差P_k(+)，更新矩陣如下：

(2.5)、利用k時(shí)刻的卡爾曼增益k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測(cè)給定的初始估計(jì)值和輸入數(shù)據(jù)z_k，遞歸計(jì)算k時(shí)刻的狀態(tài)值如下：

(2.6)、k時(shí)刻的測(cè)量噪聲協(xié)方差R_k和k-1時(shí)刻的過(guò)程噪聲協(xié)方差Q_k-1更新如下：

Ratio＝R₁/Q₀ (18)；

R_k＝R_k(+)/Ratio (19)；

Q_k-1＝Q_k-1(+)/Ratio (20)；

(2.7)、將步驟(2.6)更新后的k時(shí)刻的測(cè)量噪聲協(xié)方差R_k和k-1時(shí)刻的過(guò)程噪聲協(xié)方差Q_k-1代入步驟(2.2)-(2.6)中，遞歸計(jì)算k時(shí)刻的狀態(tài)值

(2.8)、按步驟(2.2)-(2.7)對(duì)式(6)中測(cè)得的時(shí)差信號(hào)z_k進(jìn)行濾波，通過(guò)濾波，得到濾波后的時(shí)差數(shù)據(jù)：

步驟(3)、累計(jì)流量的計(jì)算：

在計(jì)算瞬時(shí)流速和流量時(shí)，用到的是線平均流速，由流體力學(xué)可知，面平均流速根據(jù)流體的不同狀態(tài)，有著不同的修正系數(shù)；

設(shè)修正系數(shù)為K，計(jì)算流體的累計(jì)流量Q為：

式中，v_l為流體線速度，根據(jù)式(3)得到，v_l值為：

2.如權(quán)利要求1所述測(cè)量方法，其特征在于，步驟(3)前還有步驟(2.9)超聲波聲速的溫度補(bǔ)償：

(2.9.1)通過(guò)測(cè)量聲速與溫度的關(guān)系，得到基于曲線擬合得到聲速與溫度的關(guān)系曲線；

(2.9.2)制作超聲波速度與溫度的關(guān)系表格，并利用表格進(jìn)行基于查表法的溫度補(bǔ)償，利用查表法得到的聲速c，結(jié)合計(jì)算獲得的濾波后的時(shí)差信號(hào)計(jì)算該溫度下流體線速度校正值v_l'：