超声波燃气表的自适应标定方法与流程

1.本发明涉及燃气表技术领域，特别涉及一种超声波燃气表的自适应标定方法。


背景技术：

2.超声波燃气表是采用时差法原理来测量燃气流速的燃气计量设备，通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速。因时差法声速随流体温度变化带来的误差较小，准确度较高，目前应用较广泛。超声波燃气表在出厂前都需要进行标定，使得计量准确、统一。目前超声波燃气表的标定手段，是在空气环境且常温下进行，但是超声波燃气表实际是在各种温度环境和不同燃气组分等气体状态下工作，因此经过空气统一标定后的超声波燃气表，在不同温度和燃气组分的使用环境下的计量准确度差异较大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提高超声波燃气表在使用过程中的计量准确度，提供一种超声波燃气表的自适应标定方法。
4.为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：s1，检测当前环境中的气体组分；s2，采集当前环境下的温度；s3，采集当前环境下的燃气流量；s4，根据当前环境的气体组分、温度、燃气流量，以及预先获得的标定系数的三维阵列，对超声波燃气表进行自适应标定。
5.所述步骤s4中，如果当前环境的气体组分x、温度t、燃气流量q在标定系数的三维阵列中有对应的点重合，则直接使用重合点的标定系数k值进行自适应标定；如果没有对应的点重合，则从最靠近三维坐标点（t,x,q）的多个标定系数点k值中确定出一个作为自适应标定使用的标定系数。
6.所述从最靠近三维坐标点（t,x,q）的多个标定系数点k值中确定出一个作为自适应标定使用的标定系数的步骤，包括：s41，基于所述标定系数的三维阵列，根据得到的当前时刻的温度t、气体组分 x以及流量q，搜索最靠近这个三维坐标点（t,x,q）的八个点的标定系数k值，分别为：k(t1,x1,q1)， k(t1,x1,q2)， k(t1,x2,q1)， k(t1,x2,q2)， k(t2,x1,q1)， k(t2,x1,q2)， k(t2,x2,q1)， k(t2,x2,q2),，其中t1≦t≦t2， x1≦x≦x2， q1≦q≦q2；s42，根据标定系数k(t1,x1,q1)、 k(t1,x1,q2)，采用如下公式算出中间点1：k(t1,x1,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t1,x1,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t1,x1,q2)；根据k(t1,x2,q1)、 k(t1,x2,q2)采用如下公式算出中间点2：k(t1,x2,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t1,x2,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t1,x2,q2)；根据k(t2,x1,q1)、 k(t1,x1,q2)采用如下公式算出中间点3：k(t2,x1,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t2,x1,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t2,x1,q2)；
根据k(t2,x2,q1)、 k(t2,x2,q2)采用如下公式算出中间点4：k(t2,x2,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t2,x2,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t2,x2,q2)；s43，根据k(t1,x1,q)、 k(t2,x1,q)采用如下公式算出中间点5：k(t,x1,q)=(t2
‑
t)/(t2
‑
t1)* k(t1,x1,q)+ (t
‑
t1)/(t2
‑
t1)* k(t2,x1,q)；根据k(t1,x2,q)、k(t2,x2,q)采用如下公式算出中间点6：k(t,x2,q)=(t2
‑
t)/(t2
‑
t1)* k(t1,x2,q)+ (t
‑
t1)/(t2
‑
t1)* k(t2,x2,q)；s44，根据k(t,x1,q)、 k(t,x2,q)，采用如下公式算出中间点7：k(t,x,q)=(x2
‑
x)/(x2
‑
x1)* k(t,x1,q)+ (x
‑
x1)/(x2
‑
x1)* k(t,x2,q)，中间点7即为当前气体组分、温度、燃气流量对应下的标定系数，以此标定系数对超声波燃气表进行自适应标定。
7.上述方案中，通过逐渐取中国点的方式最终得到目标标定系数值，不仅计算量小，且计算结果准确。
8.所述标定系数的三维阵列通过以下步骤而获得：s10，分别确定温度、气体组分、流量的范围及变化步长；s20，选择温度、气体组分、流量中的两个变量固定不变，即作为静态变量，而另一个变量作为动态变量，按照变化步长调节动态变量，每调节一次得到并记录当前温度、气体组分、流量下的标定系数k；s30，改变需要动态变化的变量，重复执行步骤s20，直至所有的变量都作为一次动态变量，最终得到所述标定系数的三维阵列。
9.温度的范围为
‑
30~+55℃，变化步长为5℃。
10.气体组分范围为甲烷摩尔百分比浓度范围，为100%~80%，变化步长为5%。
11.流量范围为0.016m3/h~6m3/h，变化步长为0.08m3/h。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明标定方法，首先在实验条件下建立得到由气体组分、温度、流量（流速）综合影响下的标定系数的三维阵列，然后在超声波燃气表的实际使用过程中，根据现场环境的温度、气体组分及流量对超声波燃气表进行自适应标定，而不是以固定环境下的标定值为参考，继而可以实现燃气用量的更准确计量，提高计量的精确性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为实施例中提供的超声波燃气表的自适应标定方法的流程图。
15.图2a为实施例中构建标定系数的三维阵列的总流程图，图2b为构建标定系数的三维阵列的细化流程图。
16.图3为时间差法燃气表的原理示意图。
17.图4为由温度t、流量q、气体组分x确定的标定系数的三维坐标中，由8个坐标点计算得到4个中间坐标点的示意图。
18.图5为由4个坐标点计算得到2个中间坐标点的示意图。
19.图6为由2个坐标点计算得到1个中间坐标点的示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，本实施例中提供的一种超声波燃气表的自适应标定方法，包括以下步骤：s1，检测当前环境中的气体组分x。
22.这里的气体组分是指燃气的具体的摩尔分数组成，即甲烷摩尔百分比浓度。本步骤中，是通过色谱分析仪来进行气体成分检测。
23.s2，利用温度传感器采集当前环境的温度t。
24.在具体实现时，温度传感器可以独立布置，也可以是集成在超声波燃气表中。
25.s3，采集当前环境下的燃气流量q。
26.s4，根据当前环境的气体组分、温度、燃气流速，以及预先获得的标定系数的三维阵列，对超声波燃气表进行自适应标定。
27.在燃气表的实际使用中，根据燃气表的温度传感器可以得到温度t，通过在线色谱仪可以测量得到燃气的气体组分x，并通过燃气表的无线通信方式实时传输到燃气表中，燃气表一般每2秒钟测量一次流量q。根据测量的三个实时变量温度t、气体组分x以及流量q，结合预先获得的标定系数的三维阵列就可以得到k，并以此标定系数k进行标定。标定后，根据公式就可以得到燃气的实时流量q。
28.如图3所示，时间差法超声波燃气表的基本原理是：（1）（2）式中：——超声波在流体中顺流传播的时间，单位为秒（s）；——超声波在流体中逆流传播的时间，单位为秒（s）；l——声道长度，单位为米（m）；cf——声波在流体中传播的速度，单位为米每秒（m/s）；——燃气的轴向平均速度，单位为米每秒（m/s）；——声道角，单位为度（
°
）。
29.根据公式（1）和（2）可推算出流体的速度为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）根据封闭管道中燃气的平均速度与声道横截面面积关系，则可得到瞬时流量q。
30.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中:式中:——考虑多种因素的校正系数；——声道横截面面积，单位为平方米（m2）；其中校正系数的影响因素很多，比如气体介质的温度（t）、气体组分(主要指甲烷摩尔百分比浓度, )、流量（q指流量不变部分）等。需要进行精确标定才能精确计算流量。
31.在燃气温度适应性标定装置中，在三个影响变量，即温度t、气体组分以及流量q中，每次都固定两个变量，比如温度t和气体组分，然后调节气体流量q，从标定装置的标准仪器中可得到准确的气体流量qz，根据公式（4），就可以得到在当前温度、气体组分和流量下的标定系数。不断重复以上的标定实验，就可以得到三维坐标(t,x,q)下的标定系数k的三维阵列。
32.因此，如图2a所示，标定系数的三维阵列通过以下步骤得到：s10，分别确定温度、气体组分、流量的范围及变化步长。
33.本实施例中，温度变化通过温控箱控制，可以实现
‑
30~+55℃的温度变化，即温度的范围为
‑
30~+55℃，变化步长5℃。
34.气体成分的控制通过配气实现，即根据气体组分要求进行气体的精确混合配置，让混合配好的气体组分精确满足要求。调节气体组分就是调节甲烷摩尔百分比浓度(，以下简称x)，范围为100%~80%，变化步长5%。
35.根据公式（4），调节流量q就是调节燃气的流速，流量范围为q
min
（0.016m3/h）~q
max
(6m3/h）变化步长5q
min
，即5倍q
min
（0.08m3/h）。
36.当然地，对于各个变量的范围和变化步长，可以有不同的实施方式，例如可以将变化步长设置得更小，以获得更丰富的标定系数矩阵，实际标定时得到更准确的标定系数；也可以将变化步长设置得更大，以降低工作量。
37.s20，选择温度、气体组分、流量中的两个变量固定不变，即作为静态变量，而另一个变量作为动态变量，按照变化步长调节动态变量，每调节一次得到并记录当前温度、气体组分、流量下的标定系数k。
38.s30，改变动态变量，重复执行步骤s20，直至所有的变量都作为一次动态变量，最终得到标定系数的三维阵列。
39.对于步骤s20和s30，更具体地，如图2b所示，例如，先以温度、气体组分作为静态变量，保持不变，以流量作为动态变量，以0.08m3/h调节流量，每调节一次就记录一个当前温度、气体组分、流量下的标定系数k，直至调节次数达到最大，即最后一次调整后的流量为流
量范围的最大值。
40.然后，以温度、流量作为静态变量，保持不变，以气体组分作为动态变量，以5%变化，每调节一次就记录一个当前温度、气体组分、流量下的标定系数k，直至调节次数达到最大，即最后一次调整后的气体组分为气体组分范围的最大值。
41.最后，以气体组分、流量作为静态变量，保持不变，以温度作为动态变量，以5℃变化，每调节一次就记录一个当前温度、气体组分、流量下的标定系数k，直至调节次数达到最大，即最后一次调整后的温度为温度范围的最大值。
42.如上所述，由于构建标定系数的三维矩阵时，变量是以一定步长进行调节的，因此三维矩阵中的数据是离散的。在实际应用中，步骤s4中，如果当前环境的气体组分、温度、燃气流速在标定系数的三维阵列中有对应的点重合，可以直接得到标定系数k值，那么直接使用该k值进行自适应标定；如果没有对应的点重合，不能直接得出标定系数k值，那么通过搜索靠近的方式确定标定系数k值。
43.搜索靠近法是指从最靠近三维坐标点（t,x,q）的多个标定系数点k值中确定出一个作为自适应标定使用的标定系数。如图4所示，具体包括以下步骤：s41，根据得到的当前时刻的温度t、气体组分 x以及流量q，搜索最靠近这个三维坐标点（t,x,q）的八个点的标定系数k值，即：k(t1,x1,q1)， k(t1,x1,q2)， k(t1,x2,q1)， k(t1,x2,q2)， k(t2,x1,q1)， k(t2,x1,q2)， k(t2,x2,q1)， k(t2,x2,q2),，其中t1≦t≦t2， x1≦x≦x2， q1≦q≦q2，可以参阅图5所示。
44.s42，如图5所示，根据标定系数k(t1,x1,q1)、 k(t1,x1,q2)，采用如下公式算出中间点1：k(t1,x1,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t1,x1,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t1,x1,q2)；同理，根据k(t1,x2,q1)、 k(t1,x2,q2)采用如下公式算出中间点2：k(t1,x2,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t1,x2,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t1,x2,q2)；同理，根据k(t2,x1,q1)、 k(t1,x1,q2)采用如下公式算出中间点3：k(t2,x1,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t2,x1,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t2,x1,q2)；同理，根据k(t2,x2,q1)、 k(t2,x2,q2)采用如下公式算出中间点4：k(t2,x2,q)=(q2
‑
q)/(q2
‑
q1)* k(t2,x2,q1)+ (q
‑
q1)/(q2
‑
q1)* k(t2,x2,q2)。
45.s43，如图6所示，根据k(t1,x1,q)、 k(t2,x1,q)采用如下公式算出中间点5：k(t,x1,q)=(t2
‑
t)/(t2
‑
t1)* k(t1,x1,q)+ (t
‑
t1)/(t2
‑
t1)* k(t2,x1,q)；同理，根据k(t1,x2,q)、k(t2,x2,q)采用如下公式算出中间点6：k(t,x2,q)=(t2
‑
t)/(t2
‑
t1)* k(t1,x2,q)+ (t
‑
t1)/(t2
‑
t1)* k(t2,x2,q)。
46.s44，根据k(t,x1,q)、 k(t,x2,q)，采用如下公式算出中间点7：k(t,x,q)=(x2
‑
x)/(x2
‑
x1)* k(t,x1,q)+ (x
‑
x1)/(x2
‑
x1)* k(t,x2,q)，中间点7即为当前气体组分、温度、燃气流量对应下的标定系数，以此标定系数对超声波燃气表进行自适应标定。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。