[发明专利]一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法

说明书

本发明公开了一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，其步骤包括，步骤（1）时差信号测量：步骤（2）时差信号的滤波：步骤（3）累计流量的计算。本发明提出了测量噪声协方差和过程噪声协方差的更新方法，并由此提出了一种改进的卡尔曼滤波器。然后，针对时差法超声波流量计中时差信号的滤波，提出了基于改进卡尔曼滤波器的时差信号滤波方法，及给出了基于改进卡尔曼滤波器的时差法超声波流量测量方案。通过本发明提供的技术方案，明显地改善了时差法超声波流量计中时差信号的滤波效果，从而有效地提高了时差法超声波流量计的测量精度。

技术领域

本发明属于水表超声波流量计量领域，具体涉及一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，适用于各种管道中水流体的流量测量。

背景技术

随着智慧水务和物联网技术的发展，超声波水表应运而生。与传统的机械水表相比，超声波水表具有非接触式、压损小、精度高、功耗低、使用寿命长等突出优点，必将成为下一代智能水表的重要选择。超声波水表所采用的超声波测量技术有多种方法，常用的测量方法有时差法、相关法、噪声法、多普勒法和波束偏移法等。

时差法超声波测量的原理是：超声波信号在流体顺流与逆流传播时的传播速度不同，进而产生传播时间差值。由于时间差值的大小与流速大小有关，因此，通过测量时间差值的大小，就可以测量流体的流速。

在超声波水表系统中，由于测量过程会引入噪声，使得测量结果与实际流速值产生一定偏差。偏差值的大小与流体中是否有气泡或颗粒物、超声波信号质量、电路板PCB布局、温度补偿超声波声速值误差、外部电磁干扰等有关。为了减少外部噪声对超声波水表的干扰，提高水表的精度，需要对测得的时差数据进行滤波。目前使用较多的是中位值平均滤波方法，其功能是消除大幅度的脉冲干扰，算数平均滤波是将多个数据取平均值，可以使数据波动变缓，从而使数据稳定可靠。但是，中位值滤波方法会产生较大的误差。因此就有人提出了卡尔曼滤波方法，卡尔曼滤波后的数据波动要比中值均值滤波要小得多，而且卡尔曼滤波的快速性和快速响应性远大于中值均值滤波。

但是如果时差信号快速变化，则卡尔曼滤波并不能获得良好的滤波效果，因此又有人提出了卡尔曼滤波算法与算术平均算法结合的数据滤波算法，但是算术平均与卡尔曼滤波之间的切换条件不好确定(因为涉及到时差数据的采样率Fs、求最大和最小值时用到的采样数量、切换门限值δ等多个阴虚)；此外，算术平均滤波对于快速变化的时差值，滤波效果也不太理想；而且，卡尔曼滤波器对于快速变化的时差值，会跟不上时差的变化而导致较大的误差，导致流量的累积计算可能会存在较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，通过更新卡尔曼滤波器中的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵，极大地改善了超声波流量计中时差信号的滤波效果，特别是时差信号快速变化的情况下的滤波效果的改善更为明显，从而有效地提高了时差法超声波流量计的测量精度。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题，

一种基于改进卡尔曼滤波器的时差超声波流量测量方法，其步骤包括，

步骤(1)、时差信号测量：

沿水流方向前后设置第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；规定换能器与反射片的距离为s，超声波在水中的速度为c，反射片与水平面夹角为45°，两反射片的中心距离为L，管道直径为D，水的正向流速即线速度v_l为v；

第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t₁₂，则有：

通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t₂₁，则有：