CN102967334B - 利用对信号包络线处理测量流体流量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用对信号包络线处理测量流体流量的系统及方法，处理器接收正弦波数字信号，并对正弦波数字信号通过希尔伯特变换进行包络计算，得出正弦波数字信号的包络线，信号采集器采集包络线起点的位置，起点位置的X轴即信号在流体中传输时间，根据信号在流体中顺流传输的时间和信号在流体中逆流传输的时间，根据流速计算公式算出流体的流量。由于采用了数字信号滤波以及所有的传感器信号的信息都被用于确定包络线的特征点，其时间的测量精度和一致性有明显的提高，消除了因噪声丢失脉冲而产生的测量误差，通过本系统可以精确的测量出超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，进而可以精确的计算出流体的流量。

Description

利用对信号包络线处理测量流体流量的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测量流体流量的技术，尤其是指利用对信号包络线处理测量流体流量的系统及方法。

背景技术

超声波流量仪是一种根据超声波在流体中的传播速度变化来测量流量的仪表，它的主要特性是非接触式测量，测量的口径范围大，并对流体介质没有特殊要求。

时差法是超声波流量测量方法中目前应用非常广泛的一种测量方法，其基本原理是利用超声波在顺流和逆流两个方向的传播时间差来计算实际流量。目前用于测量时间差的方法基本有：阙值法、接收窗口法、PLL锁相回路法、双触发回路法等，这些方法的基本缺陷是精度不高。用电平触发时，因信号噪声容易丢失脉冲，同时，这些方法没有充分利用传感器输出的大部分测量信息。

由于时差法的测量精度与超声波传播时间的测量精度密切相关，所以如果能提高传播时间的测量精度会大幅度提高流量的测量精度。

中国专利公开号，公开日2007年5月23日，名称为“一种高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法”中公开了一种高精度时差式超声波流量计，包括流量计管段,流量计管段上设有形成第一声道的第一探头、第二探头、第一短管和第二短管,以及形成第二声道的第三探头、第四探头、第三短管和第四短管;第一探头和第二探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第一短管和第二短管上;第三探头和第四探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第三短管和第四短管上;第一声道和第二声道平行交叉布置在流量计管段上,且分别与流量计管段的管轴线成相等夹角θ。但是该专利仍没有解决时差法因超声波在传播过程中有衰减，并不能完整还原发射的第一个脉冲信号甚至多个脉冲信号、导致判断超声波在流体中的传播时间有误差的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中时差法超声波流量测量中信号噪声容易丢失脉冲，导致测量的超声波在流体中传播时间与真实时间由较大误差的问题，提供一种利用对信号包络线处理测量流体流量的系统及方法，该系统及方法可有效地减少超声波在流体中传播时间的误差。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

利用对信号包络线处理测量流体流量的方法，

第一步，上游超声波发射器发出若干个周期的脉冲信号，计时器开始计时，下游传感器接收脉冲信号，接收的脉冲信号经过信号放大电路、带通滤波电路、模数转换电路后，转换为幅度逐渐增加再逐渐减小的正弦波数字信号；

第二步，处理器接收正弦波数字信号，并对正弦波数字信号进行包络计算，得出正弦波数字信号的包络线；

第三步，信号采集器采集包络线起点的位置，起点位置的X轴即信号在流体中顺流传输时间；

第四步，下游超声波发射器发出脉冲信号，计时器开始计时，上游传感器接收脉冲信号，剩下步骤均与第一步至第三步相同，得出信号在流体中逆流传输时间；

第五步，根据信号在流体中顺流传输的时间和信号在流体中逆流传输的时间，算出流体的流量。

通过计算顺逆流发射的超声波信号的传播时间就可以检测出液体的流速，从而换算成流量。流速计算公式为：

，

其中v为流速，D为管道内径，T顺和T逆分别为超声波顺逆流传播时间，θ为传播路径与液体流向的夹角。

正弦波输出信号由于初始一个或多个正弦波信号较弱无法还原，故本发明通过计算正弦波输出信号的包络线，得出信号的起点。超声波发射器采用压电陶瓷传感器，因为压电陶瓷具有较窄的谐振频率，其输出的信号通过带通滤波后频率也比较窄，所以可以用连续希尔伯特变换进行数字信号分析求出信号的包络线。包络线的起点即为信号的起点，通过信号采集器采集起点，起点的时间通过计时器测量得出，起点的时间即为超声波在流体中的传播时间。

连续的希尔伯特变换的定义是：若函数y(t)是时间的函数，则它的希尔伯特变换函数为：

， 为求函数y(t)的包络线，可构造一个分析函数，

则函数y(t)的包络线函数是，

假设一个正弦波数字信号V(t)被等时间间距Δt采样，则其采样的结果可表达为：

，k={1,2,3,4…N}整数，那么V(t)的离散希尔伯特变换函数为，

将其离散展开则得到:

 。

假定函数V(t)在每个采样间隔内是线性的，则该公式可进一步简化为：

。

基于这个公式便可以算出每个点的，则正弦波数字信号的包络线的每个点便是，进而可以得出完整的包络线。

作为一种优选方案，信号采集器多次采集包络线顶点位置，顶点位置X轴的时间减去若干个发射的脉冲的总时间，即流体中信号传输时间，通过起点位置和通过顶点位置计算出的传输时间取平均值得出精度较高的传输时间。

包络线顶点位置X轴时间为超声波在流体中的传播时间加上发射的若干个脉冲的总时间，通过计时器可测出超声波发射器发射脉冲的总时间，故超声波在流体中的传播时间也可通过顶点位置X轴的时间减发射脉冲的总时间得出，起点位置和通过顶点位置计算出的传输时间取平均值可以进一步提高超声波在流体中的传播时间的精度。

作为一种优选方案，信号采集器寻找正弦波数字信号的每个波分和波谷的位置，以这些位置来拟合包络线，得出包络线的起点位置和顶点位置。

拟合包络线的方法比通过希尔伯特变换计算出包络线的方法相比较为简单，适用于精度要求相对较低的测量。

利用对信号包络线处理测量流体流量的系统，包括上游超声波发射器、下游超声波发射器、上游传感器、下游传感器、信号放大电路、带通滤波电路、模数转换电路、用于计算包络线的微处理器、信号采集器和计时器，上游超声波发射器连接上游传感器、下游超声波发射器连接下游传感器，上游传感器和下游传感器同时连接信号放大电路，信号放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接模数转换电路、高速模数转换电路连接微处理器，计时器同时连接上游超声波发射器、下游超声波发射器和微处理器，微处理器还与信号采集器相连接。

本发明的有益效果是，由于采用了数字信号滤波以及所有的传感器信号的信息都被用于确定包络线的特征点，其时间的测量精度和一致性有明显的提高，消除了因噪声丢失脉冲而产生的测量误差，通过本系统可以精确的测量出超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，进而可以精确的计算出流体的流量。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理框图；

图2是本发明超声波发射器发射的脉冲波形图；

图3是本发明正弦波数字信号及其包络线的波形图。

其中：1、上游超声波发射器，2、下游超声波发射器，3、上游传感器，4、下游传感器，5、信号放大电路，6、带通滤波电路，7、模数转换电路，8、处理器，9、信号采集器，10、计时器，11、正弦波数字信号，12、包络线，13、起点，14、顶点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例1：利用对信号包络线处理测量流体流量的系统，其电路原理框图如图1所示，包括上游超声波发射器1、下游超声波发射器2、上游传感器3、下游传感器4、信号放大电路5、带通滤波电路6、模数转换电路7、用于计算包络线的微处理器8、信号采集器9和计时器10，上游超声波发射器连接上游传感器、下游超声波发射器连接下游传感器，上游传感器和下游传感器同时连接信号放大电路，信号放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接高速模数转换电路、模数转换电路连接微处理器，计时器同时连接上游超声波发射器、下游超声波发射器和微处理器，微处理器还与信号采集器相连接。

利用对信号包络线处理测量流体流量的方法，

第一步，上游超声波发射器发出八个周期的脉冲信号，脉冲信号的波形图如图2所示，计时器开始计时，下游传感器接收脉冲信号，接收的脉冲信号经过信号放大电路、带通滤波电路、模数转换电路后，转换为幅度逐渐增加再逐渐减小的正弦波数字信号11，正弦波数字信号及其包络线的波形图如图3所示；

第二步，处理器接收正弦波数字信号，并对正弦波数字信号通过希尔伯特变换进行包络计算，得出正弦波数字信号的包络线12；

第三步，信号采集器采集包络线起点13的位置，起点位置的X轴即信号在流体中顺流传输时间，信号采集器采集包络线顶点14位置，顶点位置X轴的时间减去若干个发射的脉冲的总时间，即流体中顺流传输时间，通过起点位置和通过顶点位置计算出的传输时间取平均值得出精度较高的平均顺流传输时间。多次测量起点位置和顶点位置，可得到多个平均顺流传输时间，多个平均顺流传输时间再取平均值可算出精度更高的超声波传播时间；

第四步，下游超声波发射器发出脉冲信号，计时器开始计时，上游传感器接收脉冲信号，剩下步骤均与第一步至第三步相同，得出信号在流体中逆流传输时间；

第五步，根据信号在流体中顺流传输的时间和信号在流体中逆流传输的时间，根据流速计算公式算出流体的流量。

实施例2：利用对信号包络线处理测量流体流量的系统和方法，在获得正弦波数字信号后，信号采集器寻找正弦波数字信号的每个波分和波谷的位置，以这些位置来拟合包络线，得出包络线的起点位置和顶点位置。其他的电路原理和方法与实施例1相同。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了时差法、超声波发射、包络等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (3)

1.利用对信号包络线处理测量流体流量的方法，其特征是，

第一步，上游超声波发射器（1）发出若干个周期的脉冲信号，计时器（10）开始计时，下游传感器（4）接收脉冲信号，接收的脉冲信号经过信号放大电路（5）、带通滤波电路（6）、模数转换电路（7）后，转换为幅度逐渐增加的再逐渐减小的正弦波数字信号；

第二步，处理器（8）接收正弦波数字信号（11），并对正弦波数字信号进行包络计算，得出正弦波数字信号的包络线（12）；

第三步，信号采集器（9）采集包络线起点（13）的位置，起点位置的X轴的坐标表示信号在流体中顺流传输时间；

第四步，下游超声波发射器（2）发出脉冲信号，计时器开始计时，上游传感器（3）接收脉冲信号，剩下步骤均与第一步至第三步相同，得出信号在流体中逆流传输时间；

第五步，根据信号在流体中顺流传输的时间和信号在流体中逆流传输的时间，算出流体的流量。

2.根据权利要求1所述的利用对信号包络线处理测量流体流量的方法，其特征是，信号采集器多次采集包络线顶点（14）位置，顶点位置X轴的时间减去若干个发射的脉冲的总时间，即流体中信号传输时间，通过起点位置计算出的传输时间和通过顶点位置计算出的传输时间取平均值得出精度较高的传输时间。

3.根据权利要求1所述的利用对信号包络线处理测量流体流量的方法，其特征是，信号采集器寻找正弦波数字信号的每个波峰和波谷的位置，以这些位置来拟合包络线，得出包络线的起点位置和顶点位置。