本發(fā)明涉及一種多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法，特別涉及一種基于粒子群算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機算法的多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法。

背景技術(shù)：

超聲波氣體流量儀表是近年來廣泛應(yīng)用于天然氣管道的流量測量裝置。其具有的雙向性、無阻流元件、重復性高、精度高和不帶來管道壓損等優(yōu)點，使多聲道超聲波氣體流量計取代傳統(tǒng)的孔板流量計和渦輪流量計等，成為流量測量的主要裝置。超聲波氣體流量計使用的原理是超聲波在流體的影響下，順、逆流傳播時聲波速度與流速疊加或者相抵，導致順逆流傳播時間不一致，并與流體流速相關(guān)，從而可通過對順、逆流時間的測量反推流體流速。多聲道超聲波氣體流量計是在單聲道超聲波氣體儀表的基礎(chǔ)上加入多個聲道，聲道所在的平面是平行于管道縱向的過直徑橫截面或者過弦橫截面。通過測量管道不同位置的流體速度分布，按照相應(yīng)的聲道權(quán)系數(shù)方案進行計算后，得出流體流速。常用的多聲道超聲波氣體流量計權(quán)系數(shù)方案有Gauss-Legendre方案、Tchebychev方案，Tailored方案和OWICS方案。與單聲道超聲波氣體流量計相比，多聲道超聲波流量計的優(yōu)點在于多聲道的布局可以抵消一部分由于安裝誤差和電路時延等帶來的系統(tǒng)誤差，對于速度分布的多位置測量能夠更加準確地反應(yīng)流動的真實狀況，利于精確測量和流態(tài)監(jiān)測。

在國際上，多聲道超聲波氣體流量計是天然氣貿(mào)易結(jié)算的標準器具。目前制造商主要為歐洲和美國的大型儀表制造企業(yè)，中國國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的精密超聲波氣體流量計制造公司幾乎沒有，儀表使用來源依賴進口，價格高、維修不便。多聲道超聲波氣體流量計的研制是一個包含了軟件和硬件的設(shè)計、結(jié)合和優(yōu)化的過程。工作主要集中在在硬件方面，超聲波換能器的制造、性能提高、優(yōu)化電路以提高信號信噪比等，在軟件方面，對于超聲波在流體中傳播方式進行深入探討以改進流量計的測量原理、流量計校準方法的優(yōu)化等。在多聲道超聲波氣體流量計聲道系數(shù)方案的研究上，Gauss-Legendre方案、Tchebychev方案，Tailored方案和OWICS方案。這些方案都建立在特定的聲道位置布局基礎(chǔ)之上，缺點在于在儀表實際制造過程中，無法保證聲道位置完全按照設(shè)計位置排布，從而帶來系統(tǒng)誤差，同時由于這些設(shè)計方案都基于充分發(fā)展的管道流體速度分布半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并不完全適合實際測量中氣體流體的流動狀態(tài)。從而導致多聲道超聲波氣體流量計的測量準確度降低。

與本專利相關(guān)的文獻和專利中，Yeh，T等人發(fā)表在2001年IEEE Instrumentation&Measurement Technology會議的論文“An intelligence ultrasonic flow meter for improved flow measurement and flow calibration facility”中，提出了使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來計算多聲道流量計的聲道權(quán)系數(shù)，但并沒有通過實驗數(shù)據(jù)來證明這種方法的有效性。專利《一種采用高斯-雅可比多項式確定聲道位置的設(shè)置新方法》(申請公布號：201610117702.7)使用高斯-雅可比多項式來確定聲道的位置，要求聲道位置必須依照計算方案固定安裝，在實際儀表制造中難以保證，靈活性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有研究和技術(shù)存在的問題和缺陷，提出一種多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法，包括以下步驟：

1)將多聲道超聲波氣體流量計安裝在流量測試管道中，測試段上游需存在至少20倍管道直徑長度的直管段或者相應(yīng)整流設(shè)施，以保證超聲波氣體流量計測試管道內(nèi)流體流動充分發(fā)展，測試管道包含的測量裝置包括標準流量計、溫度測量裝置、壓力測量裝置；

2)根據(jù)超聲波流量計測量范圍和雷諾數(shù)計算公式，將超聲波氣體流量計測量范圍劃分為低速區(qū)和非低速區(qū)，最低流速到雷諾數(shù)4000對應(yīng)的流速范圍為低速區(qū)，雷諾數(shù)4000對應(yīng)的流速至最高流速范圍為非低流速區(qū)；

3)在低速區(qū)選取均勻分布的若干流速點，進行流量計量測試；

4)在非低流速區(qū)選取均勻分布的若干流速點，進行流量計量測試；

5)將流量計量測試中測得的數(shù)據(jù)作為支持向量機的輸入；

6)選取支持向量機的懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ，給定懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ的上下限作為搜索域，隨機生成若干組C和σ的初始值，將這若干組初始值記為(C,σ)，作為每個粒子在搜索域內(nèi)的位置，將其作為支持向量機算法的初始參數(shù)設(shè)置，同時隨機設(shè)定每個粒子的速度初始值；

7)使用支持向量機進行多維流量曲線擬合，得出流量v和溫度T、壓力p、各聲道順流渡越時間t_down、逆流渡越時間t_up的關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)；

8)將關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)的系數(shù)矩陣W作為該流量計聲道權(quán)系數(shù)，并帶入輸入的各流速及其對應(yīng)的溫度T、壓力p、各聲道順流渡越時間t_down、逆流渡越時間t_up數(shù)據(jù)，計算對應(yīng)流速，將計算出的流速值與真實流速數(shù)據(jù)進行比對，并計算均方誤差，作為當前粒子的適應(yīng)度；

9)計算當前每個粒子的適應(yīng)度，即采用了當前的懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ設(shè)定方案的支持向量機算法得出的流速計算值和真實值之間的均方誤差值，并求出每個粒子的個體最優(yōu)適應(yīng)度和所有粒子的全局最優(yōu)適應(yīng)度；

10)根據(jù)粒子群算法中設(shè)定的粒子速度和位置進化規(guī)則，對每個粒子的位置和速度進行進化；

11)判斷是否達到粒子群算法設(shè)定的最大代數(shù)，若達到設(shè)定最大代數(shù)，停止進行參數(shù)優(yōu)化，選取粒子群算法的全局最優(yōu)適應(yīng)度，作為支持向量機的參數(shù)，否則返回步驟7)；

12)在流速范圍內(nèi)隨機取一系列流速點進行流量計量測試，并用關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)計算出流量值作為該流量計的測量流量值；

13)將測量流量值與標準流量計的計量值進行比對，計算相對誤差、量程誤差和精度等級，并重復步驟12)，檢驗流量計測量的可重復性；

14)判斷量程誤差和精度等級等指標是否達到技術(shù)指標要求，輸出關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)及其系數(shù)矩陣W，分別作為該臺多聲道超聲波氣體流量計的儀表特性曲線和聲道權(quán)系數(shù)，否則返回步驟5)。

進一步地，該方法與傳統(tǒng)聲道布局權(quán)系數(shù)相比，優(yōu)點在于不要求各個聲道位置布局按照某種方案固定排布，權(quán)系數(shù)由流量儀表的流量測量數(shù)據(jù)作為輸入。

進一步地，適應(yīng)度通過均方誤差來體現(xiàn)，其計算公式為：

其中：MSE是均方誤差，N是輸入支持向量機的測量數(shù)據(jù)組數(shù)，V_i是第i組測量數(shù)據(jù)的流量測量值，V_{M_i}是第i組測量數(shù)據(jù)由支持向量機得出的流速測量模型(v＝f(t_up,t_down,T,p))計算出的流速計算值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、算法先進。支持向量機算法的使用解決了多聲道超聲波氣體流量計測量原理中流量和順、逆流渡越時間非線性關(guān)系和流量計生產(chǎn)制造中無法避免的硬件誤差和電路時延不易測量等問題，能夠有效降低流量計系統(tǒng)誤差。

2、精確度高。該方法使用粒子群優(yōu)化算法來選擇支持向量機的參數(shù)，這樣的參數(shù)選擇方式能夠有效避免人為給支持向量機算法選擇參數(shù)帶來的支持向量機計算模型不精確，導致流量計測量誤差大的結(jié)果，同時更易實現(xiàn)儀表的智能化和自動化。

3、實用性強。該方法可以統(tǒng)一應(yīng)用于低速區(qū)和非低速區(qū)的測量，不必按照雷諾數(shù)大小劃分流速區(qū)來分別進行流速校正和擬合。與傳統(tǒng)的聲道權(quán)系數(shù)計算方法相比，可適應(yīng)不同聲道布置方式和位置，有效降低計量誤差，實用性更強。

4、擴展性好。該方法不要求聲道布局必須在某些固定位置上，適用于按照Gauss-Legendre方案、Tchebychev方案，Tailored方案和OWICS方案等布局聲道的多聲道流量計，適用性廣。同時，該研究方法和成果可以有效推廣拓展至類似的問題求解中，解決相應(yīng)問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法的流程圖。

圖2是六聲道超聲波氣體流量計結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是由本發(fā)明的優(yōu)化方法應(yīng)用于實施例與傳統(tǒng)計算方法應(yīng)用于實施例的流量計算結(jié)果誤差。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作如下詳述：

實施例

本實施例對一臺口徑為100毫米的高斯-勒讓德方案布局的六聲道超聲波氣體流量計進行各個聲道的權(quán)系數(shù)計算。該氣體流量計測量對象為空氣，工況為常溫常壓，聲道布局結(jié)構(gòu)如圖2。使用一臺安裝在同一管路上、精度等級為0.5的羅茨流量計作為標準流量計。同時測量溫度和壓強數(shù)據(jù)。確定該六聲道超聲波氣體流量計的實施步驟具體如下：

1)將多聲道超聲波氣體流量計安裝在流量測試管道中，測試段上游需存在至少20倍管道直徑長度的直管段或者相應(yīng)整流設(shè)施，以保證超聲波氣體流量計測試管道內(nèi)流體流動充分發(fā)展，測試管道包含的測量裝置包括標準流量計、溫度測量裝置、壓力測量裝置；

2)根據(jù)超聲波流量計測量范圍和雷諾數(shù)計算公式，將超聲波氣體流量計測量范圍劃分為低速區(qū)和非低速區(qū)，最低流速到雷諾數(shù)4000對應(yīng)的流速范圍為低速區(qū)，雷諾數(shù)4000對應(yīng)的流速至最高流速范圍為非低流速區(qū)；

3)在低速區(qū)選取均勻分布的若干流速點，進行流量計量測試；

4)在非低流速區(qū)選取均勻分布的若干流速點，進行流量計量測試；

5)將流量計量測試中測得的數(shù)據(jù)作為支持向量機的輸入；

6)選取支持向量機的懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ，給定懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ的上下限作為搜索域，隨機生成若干組C和σ的初始值，將這若干組初始值記為(C,σ)，作為每個粒子在搜索域內(nèi)的位置，將其作為支持向量機算法的初始參數(shù)設(shè)置，同時隨機設(shè)定每個粒子的速度初始值；

7)使用支持向量機進行多維流量曲線擬合，得出流量v和溫度T、壓力p、各聲道順流渡越時間t_down、逆流渡越時間t_up的關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)；

8)將關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)的系數(shù)矩陣W作為該流量計聲道權(quán)系數(shù)，并帶入輸入的各流速及其對應(yīng)的溫度T、壓力p、各聲道順流渡越時間t_down、逆流渡越時間t_up數(shù)據(jù)，計算對應(yīng)流速，將計算出的流速值與真實流速數(shù)據(jù)進行比對，并計算均方誤差，作為當前粒子的適應(yīng)度；

9)計算當前每個粒子的適應(yīng)度，即采用了當前的懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ設(shè)定方案的支持向量機算法得出的流速計算值和真實值之間的均方誤差值，并求出每個粒子的個體最優(yōu)適應(yīng)度和所有粒子的全局最優(yōu)適應(yīng)度；

10)根據(jù)粒子群算法中設(shè)定的粒子速度和位置進化規(guī)則，對每個粒子的位置和速度進行進化；

11)判斷是否達到粒子群算法設(shè)定的最大代數(shù)，若達到設(shè)定最大代數(shù)，停止進行參數(shù)優(yōu)化，選取粒子群算法的全局最優(yōu)適應(yīng)度，作為支持向量機的參數(shù)，否則返回步驟7)；

12)在流速范圍內(nèi)隨機取一系列流速點進行流量計量測試，并用關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)計算出流量值作為該流量計的測量流量值；

13)將測量流量值與標準流量計的計量值進行比對，計算相對誤差、量程誤差和精度等級，并重復步驟12)，檢驗流量計測量的可重復性；

14)判斷量程誤差和精度等級等指標是否達到技術(shù)指標要求，輸出關(guān)系式v＝f(t_up,t_down,T,p)及其系數(shù)矩陣W，分別作為該臺多聲道超聲波氣體流量計的儀表特性曲線和聲道權(quán)系數(shù)，否則返回步驟5)。

支持向量機的適應(yīng)度通過均方誤差來體現(xiàn)，其計算公式為：

其中：MSE是均方誤差，N是輸入支持向量機的測量數(shù)據(jù)組數(shù)，V_i是第i組測量數(shù)據(jù)的流量測量值，V_{M_i}是第i組測量數(shù)據(jù)由支持向量機得出的流速測量模型計算出的流速計算值。

本發(fā)明基于粒子群算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機算法的多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法主要包括粒子群算法優(yōu)化參數(shù)、計算當前支持向量機模型的適應(yīng)度函數(shù)值、進一步更新粒子群算法中的粒子速度和位置、優(yōu)化支持向量機參數(shù)以得到更小的適應(yīng)度函數(shù)值等環(huán)節(jié)組成。圖1為基于粒子群算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機算法的多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法具體流程。整個實施例是按照圖1中所示的流程，進行多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算。圖2是實施例中使用本方法進行聲道權(quán)系數(shù)計算的對象，一臺按照高斯-勒讓德方法布局的六聲道超聲波氣體流量計。圖3是由本發(fā)明的優(yōu)化方法應(yīng)用于實施例的計算結(jié)果的相對誤差，其中圓形實心點為使用該方法計算出來的聲道權(quán)系數(shù)進行計算得出流量的相對誤差，空心三角形為使用傳統(tǒng)的高斯-勒讓德積分方法計算的流量相對誤差。

在全量程范圍內(nèi)，使用該方法計算出來的聲道權(quán)系數(shù)進行計算得出流量的相對誤差在±1％以內(nèi)，使用傳統(tǒng)的高斯-勒讓德積分方法計算的流量相對誤差則在±3％以內(nèi)。使用基于粒子群算法優(yōu)化參數(shù)的支持向量機算法的多聲道超聲波氣體流量計聲道權(quán)系數(shù)計算方法計算結(jié)果顯示，該方法使用支持向量機算法的解決了多聲道超聲波氣體流量計測量原理中流量和順、逆流渡越時間非線性關(guān)系和流量計生產(chǎn)制造中無法避免的硬件誤差和電路時延不易測量等問題，能夠有效降低流量計系統(tǒng)誤差。同時，該方法具有較高的精確度，使用粒子群優(yōu)化算法來選擇支持向量機的參數(shù)，這樣的參數(shù)選擇方式能夠有效避免人為給支持向量機算法選擇參數(shù)帶來的支持向量機計算模型不精確，導致流量計測量誤差大的結(jié)果，同時更易實現(xiàn)儀表的智能化和自動化。同時，方法可以統(tǒng)一應(yīng)用于低速區(qū)和非低速區(qū)的測量，不必按照雷諾數(shù)大小劃分流速區(qū)來分別進行流速校正和擬合。與傳統(tǒng)的聲道權(quán)系數(shù)計算方法相比，可適應(yīng)不同聲道布置方式和位置，有效降低計量誤差，實用性更強。此外，該方法不要求聲道布局必須在某些固定位置上，適用于按照Gauss-Legendre方案、Tchebychev方案，Tailored方案和OWICS方案等布局聲道的多聲道流量計，適用性廣。同時，該研究方法和成果可以有效推廣拓展至類似的問題求解中，解決相應(yīng)問題。