CN105606170A - 一种带自学习模板的超声波气体计量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带自学习模板的超声波气体计量装置及方法，该装置包括中央核心处理模块、模拟信号计时模块、信号处理模块、数字采样模块、计量算法处理模块、模板波形学习模块和显示模块；中央核心处理模块分别与模拟信号计时模块、信号处理模块、计量算法处理模块信号连接，模拟信号计时模块与信号处理模块信号连接，数字采样模块的采样信号输入端与信号处理模块连接，数字采样模块与计量算法处理模块信号连接，计量算法处理模块与模板波形学习模块信号连接，显示模块的信号输入端接中央核心处理模块；信号处理模块采集换能器的信号。本发明通过自适应的学习模板波形，能高效选择合适的波形模板，不受换能器个体差异的影响，模板更稳定可靠。

Description

一种带自学习模板的超声波气体计量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种仪器仪表领域，具体涉及一种带自学习模板的超声波气体计量装置及方法。
背景技术
通过“时差法”原理设计的气体超声流量计，通过对超声波信号和飞行时间进行各种数学分析，进行流量计算的方法依赖于信号的准确判断和时间精度的保证；“时差法”原理如下：一个探头发射信号穿过管壁、介质，到达另一侧管壁后，被另一个探头接收到，获得第一个飞行时间tAB，同样，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，得到第二个飞行时间tBA。由于受到流体介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系，进而可以得到流量值Q。
根据时差原理计算的气流速度，再根据体积流量计算公式，可计算出单位时间t内，通过管段的气体体积，从而获得气体体积：
Q＝π*(D/2)2*V*t
计量过程中个，两个飞行时间tAB和tBA,都需要信号处理模块通过电信号(模拟或数字信号)的特征判断计时开始和结束的时间点，计算获得飞行时间，从而通过“时间法”原理计量流体体积。
现有技术方案采用MCU控制高精度的计时芯片或者计时电路模块(统称计量单元)，通过判断接收信号的幅度作为判断条件，获得超声波在燃气流体中的往返的飞行时间。再简要分析计时芯片记取时间的方法依据，来计算时间差值，从而获得该时间范围内的气体流量。
该技术要求高精度的计时单元提供的时间精度高，而且重要的是时间点位置必须精准，计算点对应的波峰波谷也必须一一对应。但是，常规的计时单元采用的是波峰阈值和过零点来定位计算的时间点。一旦改变气体的流速、温度、压力，甚至改变气体成分，超声波的波形特征就会有比较大的变化，比如波形幅度变化、最大波峰位置变化等。直接定位计算点容易偏移一个甚至多个周期。对于精度至少是us级飞行时间来说，超声波的一个周期就是几个us，会引起流量计计量误差远远超过系统标定范围。
而波形模板匹配的方法，要求选择的波形模板稳定、采样波形的时间通过模板可计算，并且具有同一通道里的其它波形趋势特征。最后，模板还必须适应不同超声波换能器产生的不同波形。
发明内容
本发明针对现有技术，提出了一种带自学习模板的超声波气体计量装置及方法。
一种带自学习模板的超声波气体计量装置，包括中央核心处理模块、模拟信号计时模块、信号处理模块、数字采样模块、计量算法处理模块、模板波形学习模块和显示模块；
中央核心处理模块分别与模拟信号计时模块、信号处理模块、计量算法处理模块信号连接，模拟信号计时模块与信号处理模块信号连接，数字采样模块的采样信号输入端与信号处理模块连接，数字采样模块与计量算法处理模块信号连接，计量算法处理模块与模板波形学习模块信号连接，显示模块的信号输入端接中央核心处理模块；信号处理模块采集换能器的信号。
一种带自学习模板的超声波气体计量装置的计量方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：关闭气体通道，保证超声波气体计量装置内气体流速为零；
步骤二：中央核心处理模块初始化所有模块；
步骤三：中央核心处理模块依次激发每一个换能器；
步骤四：启动计量算法处理模块，按通道个数依次采集接收的换能器信号所收到的信号，分别存入对应的断电可保存的备份域中；再根据波形峰值间的比例关系α，计算静止气流中波形的起点；
其中计算静止气流中波形的起点具体包括以下步骤：
步骤一：求波形的中间值；
步骤二：排序波形中的各个峰值得到峰值数组，最大峰值前后各取n个，波形位置的个数即2n+1；
步骤三：当峰值数组中的第i个值大于阈值β，第i个波形位置即为指定峰值位置；
步骤四：计算得到学习的模板波形起点。
步骤五：当中央核心处理模块轮询完所有换能器，将每点计算出来的位置进行比较运算，当所有位置点两两差异都小于采样周期内的点数，模板波形学习成功；否则，重复上述学习过程；
步骤六：中央核心处理模块设置计量算法处理模块进入低功耗模式。启动中央核心处理模块中的定时器；
步骤七：中央核心处理模块的定时触发电路信号开关，同时激发换能器，模拟信号计时模块记录激发时间点；
步骤八：中央核心处理模块唤醒计量算法处理模块；计量算法处理模块初始化数字采样模块，等待采样波形信号；
步骤九：换能器间进行声波信号和电信号的转换，同时发出采样波形的中断；模拟信号计时模块通过阈值检验波峰位置点及接收到的响应信号的时间点，得到一组近似最佳时间值；
步骤十：数字采样模块采样换能器接收的信号，计量算法处理模块将模板信号和采样信号进行数字信号处理，获得采样信号的飞行时间；由于模板匹配法几乎不受波形幅度的变化的影响，比模拟信号计时模块的阈值判断更加可靠，因此，可准确定位信号所在的周期，计算出计量算法处理模块的飞行时间，发送给中央核心处理模块；
步骤十一：中央核心处理模块根据计量算法处理模块传递的时间信息，从模拟信号计时模块的多个时间值中进行选取一个周期范围内最近的时间值，获得更准确的正向飞行时间TAB。
步骤十二：同正向激发、采集和处理的过程一样，可获得反向飞行时间TBA；根据时差原理的公式，即可计算此时流体流量；通过显示模块显示输出。
有益效果
通过自适应的学习模板波形，能高效选择合适的波形模板，不再受到换能器个体差异的影响，模板更加稳定可靠。而且可以根据需要，学习模板波形，以适应不同气体环境下的应用。
而双核心数字化结构，能改善计量精度，功耗平衡，满足更多应用需要。而且，使用数字信号处理的方法，能更有利于获得更多的信号用于分析，积累测试用数据。同时，也将使产品数字化程度更高，有利于产品全方位的数字化升级，为更多声道、更大口径的流量计提供更多有效的数据。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明求取波形起点的流程图；
图3为本发明的整体流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种带自学习模板的超声波气体计量装置，其特征在于：包括中央核心处理模块、模拟信号计时模块、信号处理模块、数字采样模块、计量算法处理模块、模板波形学习模块和显示模块；
中央核心处理模块分别与模拟信号计时模块、信号处理模块、计量算法处理模块信号连接，模拟信号计时模块与信号处理模块信号连接，数字采样模块的采样信号输入端与信号处理模块连接，数字采样模块与计量算法处理模块信号连接，计量算法处理模块与模板波形学习模块信号连接，显示模块的信号输入端接中央核心处理模块；信号处理模块采集换能器的信号。
如图2，图3所示，一种带自学习模板的超声波气体计量装置的计量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：关闭气体通道，保证超声波气体计量装置内气体流速为零；
步骤二：中央核心处理模块初始化所有模块；
步骤三：中央核心处理模块依次激发每一个换能器；
步骤四：启动计量算法处理模块，按通道个数依次采集接收的换能器信号所收到的信号，分别存入对应的断电可保存的备份域中；再根据波形峰值间的比例关系α，计算静止气流中波形的起点；
计算静止气流中波形的起点具体包括以下步骤：
步骤1：求波形的中间值；
步骤2：排序波形中的各个峰值得到峰值数组，最大峰值前后各取n个，波形位置的个数即2n+1；
步骤3：当峰值数组中的第i个值大于阈值β，第i个波形位置即为指定峰值位置；
步骤4：计算得到学习的模板波形起点。
β＝(最大峰值-波形的中间值)*α+波形的中间值；
步骤五：当中央核心处理模块轮询完所有换能器，将每点计算出来的位置进行比较运算，当所有位置点两两差异都小于采样周期内的点数，模板波形学习成功；否则，重复上述学习过程；
步骤六：中央核心处理模块设置计量算法处理模块进入低功耗模式。启动中央核心处理模块中的定时器；
步骤七：中央核心处理模块的定时触发电路信号开关，同时正向激发换能器，模拟信号计时模块记录激发时间点；
步骤八：中央核心处理模块唤醒计量算法处理模块；计量算法处理模块初始化数字采样模块，等待采样波形信号；
步骤九：换能器间进行声波信号和电信号的转换，同时发出采样波形的中断；模拟信号计时模块通过阈值检验波峰位置点及接收到的响应信号的时间点，得到一组近似最佳时间值；
步骤十：数字采样模块采样换能器接收的信号，计量算法处理模块将模板信号和采样信号进行数字信号处理，获得采样信号的飞行时间；由于模板匹配法几乎不受波形幅度的变化的影响，比模拟信号计时模块的阈值判断更加可靠，因此，可准确定位信号所在的周期，计算出计量算法处理模块的飞行时间，发送给中央核心处理模块；
步骤十一：中央核心处理模块根据计量算法处理模块传递的时间信息，从模拟信号计时模块的多个时间值中进行选取一个周期范围内最近的时间值，获得更准确的正向飞行时间TAB。
步骤十二：同正向激发、采集和处理的过程一样，可获得反向飞行时间TBA；根据时差原理的公式，即可计算此时流体流量；通过显示模块显示输出。

Claims (3)

1.一种带自学习模板的超声波气体计量装置，其特征在于：包括中央核心处理模块、模拟信号计时模块、信号处理模块、数字采样模块、计量算法处理模块、模板波形学习模块和显示模块；
中央核心处理模块分别与模拟信号计时模块、信号处理模块、计量算法处理模块信号连接，模拟信号计时模块与信号处理模块信号连接，数字采样模块的采样信号输入端与信号处理模块连接，数字采样模块与计量算法处理模块信号连接，计量算法处理模块与模板波形学习模块信号连接，显示模块的信号输入端接中央核心处理模块；信号处理模块采集换能器的信号。
2.一种带自学习模板的超声波气体计量装置的计量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：关闭气体通道，保证超声波气体计量装置内气体流速为零；
步骤二：中央核心处理模块初始化所有模块；
步骤三：中央核心处理模块依次激发每一个换能器；
步骤四：启动计量算法处理模块，按通道个数依次采集接收的换能器信号所收到的信号，分别存入对应的断电可保存的备份域中；再根据波形峰值间的比例关系α，计算静止气流中波形的起点；
步骤五：当中央核心处理模块轮询完所有换能器，将每点计算出来的位置进行比较运算，当所有位置点两两差异都小于采样周期内的点数，模板波形学习成功；否则，重复上述学习过程；
步骤六：中央核心处理模块设置计量算法处理模块进入低功耗模式；启动中央核心处理模块中的定时器；
步骤七：中央核心处理模块的定时触发电路信号开关，同时激发换能器，模拟信号计时模块记录激发时间点；
步骤八：中央核心处理模块唤醒计量算法处理模块；计量算法处理模块初始化数字采样模块，等待采样波形信号；
步骤九：换能器间进行声波信号和电信号的转换，同时发出采样波形的中断；模拟信号计时模块通过阈值检验波峰位置点及接收到的响应信号的时间点，得到一组近似最佳时间值；
步骤十：数字采样模块采样换能器接收的信号，计量算法处理模块将模板信号和采样信号进行数字信号处理，获得采样信号的飞行时间；
步骤十一：中央核心处理模块根据计量算法处理模块传递的时间信息，从模拟信号计时模块的多个时间值中进行选取一个周期范围内最近的时间值，获得更准确的正向飞行时间TAB；
步骤十二：同正向激发、采集和处理的过程一样，可获得反向飞行时间TBA；根据时差原理的公式，即可计算此时流体流量；通过显示模块显示输出。
3.根据权利要求1所述的一种带自学习模板的超声波气体计量装置的计量方法，其特征在于：步骤四中计算静止气流中波形的起点具体包括以下步骤：
步骤一：求波形的中间值；
步骤二：排序波形中的各个峰值得到峰值数组，最大峰值前后各取n个，波形位置的个数即2n+1；
步骤三：当峰值数组中的第i个值大于阈值β，第i个波形位置即为指定峰值位置；
步骤四：计算得到学习的模板波形起点。
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