[發明專利]一種基于改進卡爾曼濾波器的時差超聲波流量測量方法

在審

• 申請號: 202011364228.0
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112484798A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 江西中科智慧水產業研究股份有限公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01P5/24;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 殷勇剛

本發明公開了一種基于改進卡爾曼濾波器的時差超聲波流量測量方法，其步驟包括，步驟（1）時差信號測量：步驟（2）時差信號的濾波：步驟（3）累計流量的計算。本發明提出了測量噪聲協方差和過程噪聲協方差的更新方法，并由此提出了一種改進的卡爾曼濾波器。然后，針對時差法超聲波流量計中時差信號的濾波，提出了基于改進卡爾曼濾波器的時差信號濾波方法，及給出了基于改進卡爾曼濾波器的時差法超聲波流量測量方案。通過本發明提供的技術方案，明顯地改善了時差法超聲波流量計中時差信號的濾波效果，從而有效地提高了時差法超聲波流量計的測量精度。

技術領域

本發明屬于水表超聲波流量計量領域，具體涉及一種基于改進卡爾曼濾波器的時差超聲波流量測量方法，適用于各種管道中水流體的流量測量。

背景技術

隨著智慧水務和物聯網技術的發展，超聲波水表應運而生。與傳統的機械水表相比，超聲波水表具有非接觸式、壓損小、精度高、功耗低、使用壽命長等突出優點，必將成為下一代智能水表的重要選擇。超聲波水表所采用的超聲波測量技術有多種方法，常用的測量方法有時差法、相關法、噪聲法、多普勒法和波束偏移法等。

時差法超聲波測量的原理是：超聲波信號在流體順流與逆流傳播時的傳播速度不同，進而產生傳播時間差值。由于時間差值的大小與流速大小有關，因此，通過測量時間差值的大小，就可以測量流體的流速。

在超聲波水表系統中，由于測量過程會引入噪聲，使得測量結果與實際流速值產生一定偏差。偏差值的大小與流體中是否有氣泡或顆粒物、超聲波信號質量、電路板PCB布局、溫度補償超聲波聲速值誤差、外部電磁干擾等有關。為了減少外部噪聲對超聲波水表的干擾，提高水表的精度，需要對測得的時差數據進行濾波。目前使用較多的是中位值平均濾波方法，其功能是消除大幅度的脈沖干擾，算數平均濾波是將多個數據取平均值，可以使數據波動變緩，從而使數據穩定可靠。但是，中位值濾波方法會產生較大的誤差。因此就有人提出了卡爾曼濾波方法，卡爾曼濾波后的數據波動要比中值均值濾波要小得多，而且卡爾曼濾波的快速性和快速響應性遠大于中值均值濾波。

但是如果時差信號快速變化，則卡爾曼濾波并不能獲得良好的濾波效果，因此又有人提出了卡爾曼濾波算法與算術平均算法結合的數據濾波算法，但是算術平均與卡爾曼濾波之間的切換條件不好確定(因為涉及到時差數據的采樣率Fs、求最大和最小值時用到的采樣數量、切換門限值δ等多個陰虛)；此外，算術平均濾波對于快速變化的時差值，濾波效果也不太理想；而且，卡爾曼濾波器對于快速變化的時差值，會跟不上時差的變化而導致較大的誤差，導致流量的累積計算可能會存在較大的誤差。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于改進卡爾曼濾波器的時差超聲波流量測量方法，通過更新卡爾曼濾波器中的過程噪聲協方差矩陣和測量噪聲協方差矩陣，極大地改善了超聲波流量計中時差信號的濾波效果，特別是時差信號快速變化的情況下的濾波效果的改善更為明顯，從而有效地提高了時差法超聲波流量計的測量精度。

本發明通過以下技術方案解決上述技術問題，

一種基于改進卡爾曼濾波器的時差超聲波流量測量方法，其步驟包括，

步驟(1)、時差信號測量：

沿水流方向前后設置第一超聲波換能器P1和第二超聲波換能器P2；規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，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，并計算接收到超聲波時刻和發送超聲波時刻的時間差t₁₂，則有：

通過第二超聲波換能器P2發出超聲波脈沖，在第一超聲波換能器P1上接收超聲波脈沖，并計算接收到超聲波時刻和發送超聲波時刻的時間差t₂₁，則有：