针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法与流程

本申请涉及流速测量技术领域，具体地说，涉及一种针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法。

背景技术：

声学多普勒流量计是一种常用的流速、流量测量设备，它可用于气体和液体的测量，并广泛应用于工业、水利、灌溉等行业。声学多普勒流量计通过在水流中发射超声波，水中的浮动粒子对超声波进行反射，流量计在接收到反射的超声波信号后，通过快速傅里叶变换(fft)进行频谱分析，在多普勒频谱图中，多普勒频移中能量最大的点，通过计算即为本次测量的流速；但是由于水中环境的不确定性，水中浮动粒子的运动的随机性，导致每次测量时超声波回波信号都存在差异，因此每一次测量得到的流速都不尽相同，工程中往往通过多次测量取平均值的方式计算最终流速，但是这种数据处理方法并不能有效的剔除无效数据和错误数据，导致最终得到的流速不仅准确性较低，并且多组数据之间浮动很大，难以满足高精度、高稳定性的测量需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，可以有效剔除一个测量数据组中的错误数据和噪声数据，保证数据的精确性和稳定性，也能够保留一个测量数据组中数据的特性，以此来满足高精度、高稳定性的测量需求。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，其特征在于，所述方法包括：

在水流中放置声学多普勒流量计，所述声学多普勒流量计的第一探头向测速点发射超声波，所述测速点反射所述超声波至所述声学多普勒流量计的第二探头，所述声学多普勒流量计将所述第二探头接收到的所述超声波转换为频谱图，对所述频谱图进行分析和计算，得到所述测速点的流速值v；

重复所述流速值v的计算方式，得到所述测速点的n个所述流速值v1，v2，…vn，n≥1；

计算所述流速值v1，v2，…，vn的平均值令对a1…an进行排序，去掉x个与所述平均值相差最大的所述流速值，剩余m个所述流速值v1…vm，其中m＝n-x；

应用随机数发生器，产生一组1…m间的m个随机数，根据产生的所述随机数的序号对所述流速值v1…vm进行重新排序，生成新流速值v1′…v′m，计算所述新流速值的平均值

计算当前水流速度的标准差σ，算法为σ表示所述新流速值的离散度；

根据公式计算次级流速数据组中流速数据个数，其中1<y<m；

计算所述次级流速数据组v′1…v′y的平均值在v′1…v′y中，找出与相减绝对值最大的点v′z，令其中α为比例因数，且

重复计算所述次级流速数据组的方法，计算所述次级流速数据组v′2…v′y+1的平均值找出偏离平均值最大的数据并进行同样的替换处理，直到所述次级数据组v′m-y…v′m的数据替换处理完成；

计算替换处理完成后的所述流速值v′1…v′m的平均值平均值为最终流速vf。

可选地，其中：

所述声学多普勒流量计将所述超声波转换为频谱图，进一步为：所述声学多普勒流量计将所述超声波通过快速傅里叶变换转换为所述频谱图。

可选地，其中：

对所述频谱图进行分析和计算，进一步为：根据所述频谱图的分辨率和量程计算所述测速点的流速分辨率，通过所述快速傅里叶变换得到功率能量谱，所述功率能量谱上最大的点为所述测速点的所述流速值v。

可选地，其中：

所述测速点位于所述声学多普勒流量计的上游，所述声学多普勒流量计的所述第一探头和所述第二探头浸没于所述水流中。

可选地，其中：

所述第一探头为所述超声波的发射端，所述第二探头为所述超声波的接收端。

可选地，其中：

所述水流包含杂质，所述测速点反射所述超声波至所述声学多普勒流量计，进一步为：

所述测速点位置的所述杂质反射所述超声波至所述声学多普勒流量计的所述探头的所述接收端。

与现有技术相比，本申请所述的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，达到了如下效果：

(1)本发明所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，通过先删去一组数据中与平均值相差较大的数值，再对与平均值相差较大的数值进行相应的替换，能够有效剔除测量数据组中的错误数据和噪声数据。

(2)本发明所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，通过对一组数据的离散程度和更新速度进行计算和监控，能够提升测量数据的稳定性，保证最终测量值的精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种流程图；

图2所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种超声波回波fft频谱图；

图3所示为按照申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种测量示意图；

图4所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的数据处理结果与求平均法的数据处理结果的对比图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

现有技术中，由于水中环境的不确定性，水中浮动粒子的运动的随机性，导致每次测量时超声波回波信号都存在差异，因此每一次测量得到的流速都不尽相同，工程中往往通过多次测量取平均值的方式计算最终流速，但是这种数据处理方法并不能有效的剔除无效数据和错误数据，导致最终得到的流速不仅准确性较低，并且多组数据之间浮动很大，难以满足高精度、高稳定性的测量需求。

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，可以有效剔除一个测量数据组中的错误数据和噪声数据，保证数据的精确性和稳定性，也能够保留一个测量数据组中数据的特性，以此来满足高精度、高稳定性的测量需求。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

图1所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种流程图，请参见图1，本申请实施例提供一种针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，包括：

步骤101、在水流中放置声学多普勒流量计，声学多普勒流量计的第一探头向测速点发射超声波，测速点反射超声波至声学多普勒流量计的第二探头，声学多普勒流量计将第二探头接收到的超声波转换为频谱图，对频谱图进行分析和计算，得到测速点的流速值v；

步骤102、重复流速值v的计算方式，得到测速点的n个流速值v1，v2，…vn，n≥1；

步骤103、计算流速值v1，v2，…，vn的平均值令对a1…an进行排序，去掉x个与平均值相差最大的流速值，剩余m个流速值v1…vm，其中m＝n-x；

步骤104、应用随机数发生器，产生一组1…m间的m个随机数，根据产生的随机数的序号对流速值v1…vm进行重新排序，生成新流速值v′1…v′m，计算新流速值的平均值

步骤105、计算当前水流速度的标准差σ，算法为σ表示新流速值的离散度；

步骤106、根据公式计算次级流速数据组中流速数据个数，其中1<y<m；

步骤107、计算次级流速数据组v′1…v′y的平均值在v′1…v′y中，找出与相减绝对值最大的点v′z，令其中α为比例因数，且

步骤108、重复计算次级流速数据组的方法，计算次级流速数据组v′2…v′y+1的平均值找出偏离平均值最大的数据并进行同样的替换处理，直到次级数据组v′m-y…v′m的数据替换处理完成；

步骤109、计算替换处理完成后的流速值v′1…v′m的平均值平均值为最终流速vf。

具体地，请继续参照图1，本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法中，通过步骤101，将声学多普勒流量计放置在需要检测流速的水流中，声学多普勒流量计的第一探头和第二探头需要完全浸没在水流中，由声学多普勒流量计的第一探头向水流中的测速点发射超声波，测速点的水中需含有一定的浮动粒子，如小气泡、固体颗粒、漂浮物等，这些浮动粒子的任一物质在接收到声学多普勒流量计的第一探头发射的超声波后，将反射此超声波信号到声学多普勒流量计的第二探头，由声学多普勒流量计的第二探头接收被反射回来的超声波，声学多普勒流量计通过对接收到的超声波信号进行快速傅里叶变换，将接收到的超声波信号转换为频谱图，请参照图2，图2所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种超声波回波fft频谱图，通过对快速傅里叶变换后的频谱图进行相应的分析和计算，得到水流中被测速点的流速值v。使用多普勒流量计对水流进行测量，一方面，由于多普勒流量计的造价较低，可做成便携式设备，有利于方便工作人员进行移动测量，同时有利于在实际应用中对于同一水流，不同位置的测量；另一方面，当被测速的水流中含有气泡或是固体颗粒时，并不会影响多普勒流量计对于水流速度的测量，反而更有利于得出被测水流的精确流速，即水流中杂质越多，对于超声波的反射越强，测量效果也会更好，有利于实际应用中将多普勒流量计及数据处理方法运用于各种各样的水质中，对水流的流速进行测量。

通过步骤102，重复步骤101的测量水中流速值的方法，对测速点的流速值进行多次测量，得到n个被测量的测速点的流速值v1，v2，…vn。多次对水流中同一测速点的流速值进行测量，有利于避免单次测量数据产生的偏差，提高流速值测量的精确程度；一方面，能够避免水中杂质过多时，接收并反射超声波信号的杂质不是预定测速点的杂质而造成的测量误差，另一方面，也能够避免某次测量时，测速点的水质过于干净，未按预定位置接收并反射超声波信号而造成的测量误差。

需要说明的是，此处得到的n个被测量的测速点的流速值越多越好，即对于n的取值范围来说，在n≥1的基础上，n的个数越多对于测量效果越好，本申请对此不做具体限定，可根据实际实验的要求对测速点的流速值个数进行确定。另外，对于测速点的流速值来说，每个流速值测量之间的时间间隔本申请不做具体限定，若想得到水流流速的瞬时值，则相邻两次测量的时间间隔越短越好，若想得到水流流速一段时间内的稳定值，则相邻两次测量的时间间隔越长越好，实际测量中可根据对于数据的需求进行测量时间间隔的变更。

通过步骤103，对步骤102得到的n个流速值v1，v2，…vn进行计算，得到n个流速值的平均值令对a1…an进行排序，将一组数据的n个数中x个最大点对应的速度值剔除掉，这x个数为偏离平均值最大的x个值，以此方法剔除一组数据中相对来讲偏离值过于大，即误差较大的数值，有利于保证一组测量值的稳定性；去掉最大的x个数后剩余m个流速值v1…vm，其中m＝n-x。

通过步骤104，运用随机数发生器产生一组1…m间的m个随机数，对应于步骤103中的m个流速值v1…vm，根据产生的随机数的序号对m个流速值v1…vm进行重新排序，有利于打破环境因素对相邻两个数据之间的影响，重新排序后即生成一组新的流速值v1′…v′m，根据步骤102的方法对新流速值v′1…v′m求平均值此步骤是在步骤103将一组测量值中误差较大的数据剔除后，对剩余的数据进行求平均值的过程，有利于进一步提高测量数据的准确性。

通过步骤105，运用算法计算当前水流速度的标准差σ，σ表示步骤104中求出的新流速值的离散度，σ对应的数值越大，表示本组数据越离散；求出标准差σ能够反应本组测量数据之间的稳定之差异，反映出本组数据的稳定性，有利于判断出m个新流速值是否在测量的误差范围内。

通过步骤106，运用式计算出次级流速数据组中流速数据的个数，其中1<y<m，有利于判断流速数据的个数y是否在实验所要求的范围内，以保证数据的有效性。

通过步骤107，运用步骤102的方法计算次级流速数据组v′1…v′y的平均值在v′1…v′y中，找出与相减绝对值最大的点v′z，令其中α为比例因数，决定流速数据的更新速度，此处α越小则表示数据越稳定，且运用此步骤有利于找出数据中偏离平均值最大的测量流速值，将偏离平均值最大的数据替换掉，有利于剔除测量数据组中的错误数据和噪声数据，保证数据结果的准确性。

通过步骤108，重复上述步骤107，计算次级流速数据组v′2…v′y+1的平均值找出偏离平均值最大的数据并进行同样的替换处理，直到所述次级数据组v′m-y…v′m的数据替换处理完成。运用此步骤对步骤107所得出的数据进行进一步的检查，有效剔除测量数据组中的错误数据和噪声数据，提升整组数据的稳定性，保证最终测量值的精确。

通过步骤109，计算替换处理完成后的流速值v′1…v′m的平均值平均值为最终流速vf。对于将数据中偏差值较大的数据进行替换后求出的平均值，有利于提升测量数据的稳定性，保证最终测量值的精确。

需要说明的是，本申请对上述步骤101-109的顺序没有具体限定，每个步骤也不是只能使用一次，具体的步骤过程以及步骤使用次数可以根据实际试验情况进行相应的变更。

可选地，上述步骤101中，声学多普勒流量计将超声波转换为频谱图，进一步为：声学多普勒流量计将超声波通过快速傅里叶变换转换为频谱图。

具体地，声学多普勒流量计将接收到的超声波信号与流量计设定信号做混频，得到一个中频信号，通过对中频信号进行快速傅里叶变换转换为相对应的频谱图。将声学多普勒流量计接收到的水流中杂质反射回来的超声波信号转换为频谱图，有利于直接观察出超声波信号传回来的水流流速数据值。

可选地，上述步骤101中，对频谱图进行分析和计算，进一步为：根据频谱图的分辨率和量程计算测速点的流速分辨率，通过快速傅里叶变换得到功率能量谱，功率能量谱上最大的点为测速点的流速值v。

具体地，通过对频谱图的分辨率和量程等有效信息进行分析和计算，先得出测速点的流速分辨率，进而对流速分辨率通过快速傅里叶变换得到对应的功率能量谱，所得出的功率能量谱上最大的点即为测量到的测速点的流速值v。对所得到的频谱图进行分析计算，有利于得出明显的流速值数据，有利于对数据的快速收集。

可选地，上述步骤101中，测速点位于声学多普勒流量计的上游，声学多普勒流量计的第一探头和第二探头浸没于水流中。

具体地，通常在使用声学多普勒流量计测量水流的流速值时，将声学多普勒流量计放置于所测量水流的下游位置，声学多普勒流量计的超声波发射探头和接收探头需要被浸没于水流之中。将超声波发射探头和接收探头浸没于水流当中，有利于保障超声波信号的收发效果，进而保证测量值的准确性。

可选地，上述步骤101中，第一探头为超声波的发射端，第二探头为超声波的接收端。

具体地，多普勒流量计包含有发射超声波的第一探头，和接收超声波的第二探头，在水流中放置时，请参考图3，图3所示为按照申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的一种测量示意图，点a为水流中测速点，点e为超声波的发射端，点f为超声波的接收端，点e和点f需要位于点a的下游位置。避免了逆向放置时，声学多普勒流量计在水中产生一定的阻力，影响水流速度数据的测量结果，因此，点e和点f位于点a的下游位置有利于提高测量数据的稳定性和准确性。

需要说明的是，此处本申请对于点e和点f之间的距离大小，以及点e和点f分别与点a之间的距离大小不做具体限定，在实际操作中，可以在对水流的环境、流速缓急以及测速设备的参数等信息进行分析后决定三点之间的距离。另外，由于距离越远，超声波损耗越大，因此超声波的第一探头和第二探头与水流中测速点的距离不宜过远。

可选地，上述步骤101中，水流包含杂质，测速点反射超声波至声学多普勒流量计，进一步为：

测速点位置的杂质反射超声波至声学多普勒流量计的探头的接收端。

具体地，测量流速值的水流中需要含有杂质，例如漂浮物、固体颗粒和小气泡等，声学多普勒流量计的探头发射出的超声波在到达预定的测速点时，由测速点位置的水中杂质接收超声波并反射至声学多普勒流量计的超声波接收探头的接收端。水中的杂质对超声波信号进行反射，有利于保障声学多普勒流量计能够接受到准确地水流速度信息，有利于提升测量数据的稳定性，保证最终测量值的精确。

以下结合具体数据进行说明。

请参见图1和图3，利用声学多普勒流量计测量水中a点的流速，其中e为超声波信号发射端，f为超声波信号接收端，箭头表示水流的方向。超声波从e点发出之后，受到a点浮动粒子的反射，并被f点超声波接收端接收，经过声学多普勒流量计的fft变换等计算步骤，得到a点水流速度v。

(1)声学多普勒流量计对a点水流重复测量20次，得到流速v1…v20分别为{57,55,60,78,82,53,66,59,42,88,65,58,57,69,62,84,68,59,61,78}，计算其标准差为

(2)计算v1…v20的平均值令则可以得到a1…a20为{8,10,5,13,17,12,1,6,23,23,0,7,8,4,3,19,3，6,4,13}，可以看到a9和a10的值最大，为偏离平均值最大的两个点，我们把这两个点去掉，剩余18个速度点为{57,55,60,78,82,53,66,59,65,58,57,69,62,84,68,59,61,78}。

(3)在整数1-18之间生成一组不可重复的随机数{7,9,11,18,16,15,13,4,8,14,3,5,1,12,2,10,17,6}，根据这组随机数的顺序，对v1…v18进行重新排序，消除随机环境因素对相邻两个数据之间的影响。排序后水流速度v′1…v′18为{66,65,57,78,59,68,62,78,59,84,60,82,57,69,55,58,61,53}。

(4)计算v′1…v′18的平均值为且标准差为

(5)根据公式计算得到且1<y<18符合要求。

(6)计算v′1…v′15的平均值则可以得到在v′1…v′15之间，其中为与平均值偏差最大的值，因此将v′10替换掉，令其中则同样的，v′2…v′16的平均值为在v′2…v′16之间与平均值偏差最大的点为v′12，则v′12应替换为v′3…v′17的平均值其中偏离平均值最大的点为v′4和v′8，则v′4…v′18的平均值为其中进行替换。

(7)上述数据替换完成后，v′1…v′18的值分别为{66,55,57,71,59,68,62,71,59,69,60,73,57,69,55，58,61,53}，则其平均值标准差σ″＝6，即经过数据处理后，得到的最终水流速度为

图4所示为本申请实施例所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法的数据处理结果与求平均法的数据处理结果的对比图。请参照图4，使用现有技术通过声学多普勒流量计对a点水流重复测量20次，得到流速v1…v20分别为{57,55,60,78,82,53,66,59,42,88,65,58,57,69,62,84,68,59,61,78}，直接计算20次测量数据的平均值为(57,55,60,78,82,53,66,59,42,88,65,58,57,69,62,84,68,59,61,78)/20＝65.05，显然与使用本申请的方法所得出的水流速度62.9相差比较大，说明直接使用测量值进行求平均值的方法对数据进行处理，没有剔除所测量数据中误差较大的值，也没有检查所获取数据的稳定性，因此不能保证数据处理结果的准确性。可见，通过本发明的方法对测量数据进行处理后，不仅去除了错误数据和噪声数据，也大大降低了数据的离散程度，提升了测量数据的稳定性，进一步保证了最终测量值的精确程度。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

(1)本发明所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，通过先删去一组数据中与平均值相差较大的数值，再对与平均值相差较大的数值进行相应的替换，能够有效剔除测量数据组中的错误数据和噪声数据。

(2)本发明所提供的针对声学多普勒流量计的流速的数据处理方法，通过对一组数据的离散程度和更新速度进行计算和监控，能够提升测量数据的稳定性，保证最终测量值的精确。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。