[发明专利]一种噪声背景下准确估计超声流量计传播时间方法

说明书

所属技术领域

本发明属于流量测量技术领域,涉及超声流量计。

背景技术

超声流量计作为新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型水利水电项目以及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。精确确定超声换能器接收信号的起始位置，得到精确的超声波传播时间是时差法超声流量计能够准确测量流量的关键。目前，传统测量方法中普遍采用的是双门限电平法(简称双门限法)，首先通过非过零比较，确定使用哪个周期的信号作为计时起始位置，再通过过零比较确定超声波传播时间。但这种方法的缺点是当有噪声存在时，过零比较得到的时间会有较大波动，严重影响了流量计的精度，而且当噪声大到一定程度时，非过零比较无法准确确定信号位置，从而导致错波发生，此时由于误差太大，流量计已不能使用。

为了在有噪声时仍能获得准确的超声波传播时间，研究者提出基于超声脉冲接收信号模型对超声波传播时间进行估计的方法。目前超声脉冲接收信号的经验模型主要有两种，高斯模型和混合指数模型。高斯模型用于描述比较对称的宽带高频信号。周方等学者将此模型与高斯—牛顿法、模拟退火法、蚁群算法等相结合，证明了蚁群算法是一种有效的回波参数估计方法，具有较高精度[1]；针对混合指数模型，姚振静等人将此模型与卡尔曼滤波及其优化算法进行结合求取超声波传播时间，用来提高超声测距精度[2]。虽然已有学者基于超声脉冲接收信号模型提出了一些超声波传播时间估计算法，但研究仅针对算法本身，应用也仅限于超声测距领域。对于超声流量测量来说，时间测量精度要求远高于超声测距，已有方法不能直接用来解决噪声背景下超声流量计的准确测时问题。

[1]周方，张小凤，张光斌，超声回波参数的蚁群算法估计，陕西师范大学学报(自然科学版)，2012，40(2)，35～40

[2]Zhen-Jing Yao,Qing-Hao Meng,Ming Zeng,Improvement in the accuracy of estimating the time-of-flight in an ultrasonic ranging system using multiple square-root unscented Kalman filters,Review of Scientific Instruments,2010,81，104901-1～104901-7

发明内容

本发明为解决噪声背景下超声流量计中超声波传播时间准确测量问题，基于超声脉冲接收信号混合指数模型，提供一种超声波传播时间准确估计方法，达到降低测量误差，提高超声流量计测量精度的目的。

本发明的技术方案如下：

一种噪声背景下准确估计超声流量计传播时间方法，包括下列步骤：：

步骤一：进行超声流量计实验，根据试验结果，建立超声脉冲接收信号离散模型如下：

A_m(x)＝A(kt_s)sin[2πf_c(kt_s-τ)+θ](1)

其中，

式中，A_m(x)为超声脉冲接收离散模型信号，k为采样点数序号(k＝1,2，…N)，N为采样点数，t_s为采样时间间隔，f_c为超声换能器的中心频率，θ为初始相位角，A₀为接收信号幅值，T和m是超声换能器的两个特性参数，τ为超声波传播时间，u(kt_s-τ)为单位阶跃信号，当采样频率、采样点数、超声换能器及其发射频率确定后，模型中的k、N、t_s、f_c和θ即为定值，随着被测流量改变，模型信号A_m(x)中的A₀、T、m和τ会相应变化，其中，参数向量x＝[A₀ m T τ]，对x估计得越准确，模型信号越逼近实验获得的真实接收信号，利用下面的遗传－蚁群算法对x中这四个参数进行估计，最终τ的最优估计值即为超声波传播时间；

步骤二：根据实验采样获得的超声接收信号A_e与模型信号A_m(x)确定目标函数f(x)：基于最小二乘思想确定目标函数，将A_e中各采样点电压与A_m(x)中采样点电压之差的平方和作为目标函数f(x)，当目标函数f(x)取得最小值时，x为最优估计值；