一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法技术

本发明专利技术涉及流量计量技术领域，公开了一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，包括以下步骤：收集水表测量数据作为数据集；确定初始流量分段点，为各流量分段点分配初始权重；构建权重与流量分段点的更新函数；利用梯度下降法进行二元线性拟合，获得分段校准系数；计算香农熵值，若香农熵值不满足条件，则更新权重与流量分段点，跳转上一步骤s4；若香农熵值满足条件则停止更新，利用最终的分段校准系数校准流量。本发明专利技术实现了流量分段点的自适应更新，校准过程不完全依赖人工经验，降低人为误差，自适应更新流量分段点；其次，重点关注流速和温度两大重要因素的影响，实现二维的自适应校准，从而提高超声波水表在多温度场景下的计量准确性。量准确性。量准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法


[0001]本专利技术涉及流量校准
，尤其涉及一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法。

技术介绍

[0002]超声波水表因计量精度高、量程比宽、压损小等优势，在民用、工业等领域得以较为广泛的应用，其基于校准系数来进行流量校准。当前，在流量校准过程中，流量分段点一般依据人工经验选取，选择过程反复迭代，消耗大量时间和人力。此外，超声波信号在水中传播速度受温度影响明显，若在校准过程中仅考虑流速因素影响，进行一维的数据拟合，则很难保证超声波水表在温度变化明显的工作场景下的计量精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，方法关注流速和温度两大重要因素的影响，实现流量分段点的自适应更新。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，包括如下步骤：s1，通过实验平台控制流量和温度，收集超声波水表的测量数据作为数据集；s2，基于数据集，绘制流量特征曲线，确定初始流量分段点，为各流量分段点分配初始权重；s3，构建权重与流量分段点的更新函数；s4，基于测量数据与流量分段点，利用梯度下降法，进行二元线性拟合，获得分段校准系数；s5，计算此时的流量分段情况对应的香农熵值，若香农熵值不满足预设条件，则基于s3中构建的更新函数更新权重，基于更新后的权重更新流量分段点，跳转步骤s4；若香农熵值满足预设条件，则停止更新，此时得到最终的分段校准系数，利用最终的分段校准系数校准流量。
[0005]优选地，所述步骤s1中通过实验平台控制的低区流量的波动应不超过
±
2.5%，高区应不超过
±
5%，一次测量的水温波动应不超过5℃。
[0006]优选地，所述步骤s1中数据集包括多组实测平均流速、测量温度及上下游接收信号传播时间差，其中实测平均流速计算公式如下：式中，j为测量次数，Time
j
为第j次测量时长，m
j
为第j次测量时长Time
j
内流入水箱
内的水的质量，为第j次测量时根据温度计算得出的水密度，S为测量段管道截面积。
[0007]优选地，所述测量温度由超声波水表的进出口处的温度计测量得出，上下游接收信号时间差由时差法计算得出。
[0008]优选地，所述步骤s2中流量特征曲线为单一温度下流量特征因子K随上下游接收信号传播时间差的平均值变化的曲线，其中流量特征因子K计算公式如下：变化的曲线，其中流量特征因子K计算公式如下：式中，ΔT
i，j
为在第j次测量时根据第i组上下游接收信号计算的时间差，N
j
为第j次测量上下游接收信号传播时间差的总计算次数。
[0009]优选地，所述步骤s2中初始流量分段点包括层流/湍流分界点、流道切换点和流量特征曲线拐点，各流量分段点初始权重均默认等于1。
[0010]优选地，所述步骤s3中权重的更新原则如下：计算实测平均流速与计算平均流速之间的相对误差RD，计算公式如下：下：其中，a
0,l,j
~a
3,l,j
为j次测量所属流量分段区间l对应的校准系数，T
j
为测量温度；若待更新权重对应流量分段点的前后两个相邻的流量分段区间内的相对误差RD均大于最大允许误差的二分之一，则将上半句所述的待更新权重更新为2；若待更新权重对应流量分段点的前一个相邻的流量分段区间内相对误差大于最大允许误差的二分之一，后一个相邻流量区间内相对误差RD小于或等于最大允许误差的二分之一，则将上半句所述的待更新权重更新为
‑
1；若待更新权重对应流量分段点的前一个相邻的流量分段区间内相对误差小于或等于最大允许误差的二分之一，后一个相邻流量区间内相对误差RD大于最大允许误差的二分之一，则将上半句所述的待更新权重更新为1；
若待更新权重对应流量分段点的前后两个相邻的流量分段区间内的相对误差RD均小于或等于最大允许误差的二分之一，则将上半句所述的待更新权重更新为0。
[0011]优选地，所述步骤s3中流量分段点的更新原则如下：若权重值等于
‑
1，则认为该权重值对应的流量分段点需左移；若权重值等于0，则认为该权重值对应的流量分段点需去除；若权重值等于1，则认为该权重值对应的流量分段点需右移；若权重值等于2，则认为该权重值对应的流量分段点需保留。
[0012]优选地，所述步骤s4中二元线性拟合公式如下：式中，为实测流速均值，T
j
为测量温度，为上下游接收信号传播时间差的平均值。
[0013]优选地，所述s4中使用梯度下降法进行拟合时，损失函数为拟合后的计算流速的平均值与实测平均流速的均方差，计算公式如下：式中，n为测量的总次数。
[0014]优选地，基于步骤s3中构建的更新函数更新s5中的流量分段点和权重，停止更新的条件为：香农熵值小于最大允许误差的1%；其中香农熵值的计算公式如下：的条件为：香农熵值小于最大允许误差的1%；其中香农熵值的计算公式如下：的条件为：香农熵值小于最大允许误差的1%；其中香农熵值的计算公式如下：式中，H为香农熵值，m为分段区间总数，为第l个分段区间内的相对误差均值，x为第l个分段区间内的测量次数索引，RD
lx
为第l个分段区间内第x次测量后计算得到的相对误差值，N
l
为第l个分段区间内的总测量次数，MPE
l
为第l个分段区间内的最大允许误差。
[0015]本专利技术的有益技术效果：实现了流量分段点的自适应更新，节省了时间和人力成本，减小了人工经验选取分段点导致的误差；方法关注流速和温度两大重要因素的影响，实
现二维的自适应校准，从而提高了超声波水表在温度变化明显的工作场景下的计量准确性。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的总体流程图。
[0017]图2为本专利技术实施例中的流量特征曲线图。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术。
[0019]实施例。
[0020]如图1所示，一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，包括如下步骤：s1，通过实验平台控制流量和温度，收集超声波水表的测量数据作为数据集；其中通过实验平台控制的低区流量的波动应不超过
±
2.5%，高区应不超过
±
5%，一次测量的水温波动应不超过5℃。数据集包括多组实测平均流速、测量温度及上下游接收信号传播时间差。
[0021]其中实测平均流速计算公式如下：式中，j为测量次数，Time
j
为第j次测量时长，m
j
为第j次测量时长Time
j
内流入水箱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，通过实验平台控制流量和温度，收集超声波水表的测量数据作为数据集；s2，基于数据集，绘制流量特征曲线，确定初始流量分段点，为各流量分段点分配初始权重；s3，构建权重与流量分段点的更新函数；s4，基于测量数据与流量分段点，利用梯度下降法，进行二元线性拟合，获得分段校准系数；s5，计算此时的流量分段情况对应的香农熵值，若香农熵值不满足预设条件，则基于s3中构建的更新函数更新权重，基于更新后的权重更新流量分段点，跳转步骤s4；若香农熵值满足预设条件，则停止更新，此时得到最终的分段校准系数，利用最终的分段校准系数校准流量。2.根据权利要求1所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所述步骤s1中通过实验平台控制的低区流量的波动应不超过
±
2.5%，高区应不超过
±
5%，一次测量的水温波动应不超过5℃。3.根据权利要求1所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所述步骤s1中数据集包括多组实测平均流速、测量温度及上下游接收信号传播时间差，其中实测平均流速计算公式如下：式中，j为测量次数，Time
j
为第j次测量时长，m
j
为第j次测量时长Time
j
内流入水箱内的水的质量，为第j次测量时根据温度计算得出的水密度，S为测量段管道截面积。4.根据权利要求3所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所述测量温度由超声波水表的进出口处的温度计测量得出，上下游接收信号时间差由时差法计算得出。5.根据权利要求1所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所述步骤s2中流量特征曲线为单一温度下流量特征因子K随上下游接收信号传播时间差的平均值变化的曲线，其中流量特征因子K计算公式如下：变化的曲线，其中流量特征因子K计算公式如下：式中，ΔT
i，j
为在第j次测量时根据第i组上下游接收信号计算的时间差，N
j
为第j次测量上下游接收信号传播时间差的总计算次数。6.根据权利要求1所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所
述步骤s2中初始流量分段点包括层流/湍流分界点、流道切换点和流量特征曲线拐点，各流量分段点初始权重均默认等于1。7.根据权利要求1所述的一种基于香农熵的超声波水表流量校准方法，其特征在于，所述步骤s3中权重的更新原则如下：计算实测平均流速与计算平均流速之间的相对误差RD，计算公式如下：之间的相对误差RD，计算公式如下：其中，a
0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金合，宋冠锋，沈华刚，
申请(专利权)人：青岛鼎信通讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：