CN105628115B - 一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法 - Google Patents

一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法。在超声波信号传播时间测量的过程中，根据多阈值法设置多个阈值信号，阈值信号分别与正半周超声波信号、负半周超声波信号比较，产生与阈值信号个数相等的脉冲触发信号，多个脉冲触发信号结合逻辑门电路得到一个使能信号，当耦合进超声波信号的前置脉冲噪声影响其中任何一个脉冲触发信号时，获得的使能信号不会受前置脉冲噪声的影响。本发明采用多阈值测量方法，有效的滤去前置脉冲噪声，避免了前置脉冲噪声对时差式超声波流量计传播时间测量的影响，提高了超声波流量计的测量精度。

Description

一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法
技术领域
本发明涉及时差式超声波流量计，尤其是涉及一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法。
背景技术
随着电子科技的快速发展，超声波流量计以其无压损、宽量程、高精度等优异性能和卓越表现已在流量计量领域得以应用，其中，时差式超声波流量计以其测量原理简单而得到了最为广泛的应用。
时差式超声波流量计通过测量超声波信号沿同一路径的顺逆流传播时间来计算流体流量，因此顺逆流传播时间的测量准确度直接关系到是否能够得到正确的流体流量。在时差式超声波流量计中，时间测量的准确度由多种因素造成，而其中信号噪声是最普遍存在的一种干扰，噪声可以通过多种方式耦合到信号线上，那么对于信号线上的噪声处理就显得十分重要。
其次对于测量时间的获得，目前主流的技术是通过设置阈值，通过设置的阈值得到信号使能触发点，从而得到测量停止的时间，由于阈值只有一个，所以测量结果的不确定性大大增加，尤其是在噪声较大的环境下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法，为时差式超声波流量计提供对存在脉冲噪声的信号电路进行噪声滤除、保证测量结果准确的测量方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明在超声波信号传播时间测量的过程中，根据多阈值法设置多个阈值信号，阈值信号分别与正半周超声波信号、负半周超声波信号比较，产生与多个阈值信号相等的脉冲触发信号，多个脉冲触发信号结合逻辑门电路得到一个使能信号，当耦合进超声波信号的前置脉冲噪声影响其中任何一个脉冲触发信号时，获得的使能信号不会受前置脉冲噪声的影响，从而避免了前置脉冲噪声对时差式超声波流量计传播时间测量的影响。
所述多阈值法是指设置大于等于两个阈值信号，且至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大正峰值信号之间、至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大负峰值信号的绝对值之间，阈值信号的大小分别根据前一次测量得到的超声波信号最大正峰值和最大负峰值而定，阈值信号触发超声波信号时，在超声波信号的同一周期的波上产生脉冲触发信号。
所述逻辑门电路是指由逻辑或门、逻辑与门、逻辑非门、逻辑与非门单个或多个逻辑芯片组成的逻辑门电路，用于得到计时单元的使能信号。
所述使能信号是指由逻辑门电路产生，用于控制计时单元停止计时工作的信号，当使能信号有效时，计时单元才能识别停止计时的信号。
所述前置脉冲噪声是指时差式超声波流量计的超声波信号到达之前，耦合进来的脉冲噪声。
本发明具有的有益效果是：
超声波流量计的超声波信号多阈值测量方法，可以有效的滤去脉冲噪声，避免噪声对测量电路的影响，同时通过逻辑门得到的使能信号，可以直接用于原信号的过零点的检测上，避免了单阈值法在电路信号测量上由于噪声导致的测量不准确的情况，提高了超声波流量计的测量精度。
附图说明
图1是本发明的测量原理示意图。
图2是普通的超声波信号单阈值下的触发时序图。
图3是本发明对耦合正向脉冲噪声的超声波信号采用双阈值法的时序图。
图4是本发明对耦合负向脉冲噪声的超声波信号采用双阈值法的时序图。
图1中：TDC：计时芯片，CP1：第一比较器，CP2：第二比较器，CP3：第三比较器，AP1：运算放大器，T1：第一RS触发器，T2：第二RS触发器，G1：与门， EN1：脉冲触发信号，EN2：脉冲触发信号，EN_stop：停止使能信号，stop：停止信号，start：开始计时信号，t1：理想情况下超声波传播时间，t2：实际情况下超声波传播时间，t3：双阈值下超声波传播测量时间，t4：双阈值法下超声波传播测量时间。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的脉冲噪声滤除方法是：
本发明在超声波信号传播时间测量的过程中，根据多阈值法设置多个阈值信号，阈值信号分别与正半周超声波信号、负半周超声波信号比较，产生与多个阈值信号相等的脉冲触发信号，多个脉冲触发信号结合逻辑门电路得到一个使能信号，当耦合进超声波信号的前置脉冲噪声影响其中任何一个脉冲触发信号时，获得的使能信号不会受前置脉冲噪声的影响，从而避免了前置脉冲噪声对时差式超声波流量计传播时间测量的影响。
所述多阈值法是指设置大于等于两个阈值信号，且至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大正峰值信号之间、至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大负峰值信号的绝对值之间，阈值信号的大小分别根据前一次测量得到的超声波信号最大正峰值和最大负峰值而定，阈值信号触发超声波信号时，在超声波信号的同一周期的波上产生脉冲触发信号。
所述逻辑门电路是指由逻辑或门、逻辑与门、逻辑非门、逻辑与非门单个或多个逻辑芯片组成的逻辑门电路，用于得到计时单元的使能信号。
所述使能信号是指由逻辑门电路产生，用于控制计时单元停止计时工作的信号，当使能信号有效时，计时单元才能识别停止计时的信号。
所述前置脉冲噪声是指时差式超声波流量计的超声波信号到达之前，耦合进来的脉冲噪声。
本发明的具体工程过程：
如图1所示，虚线框中所示为普通单阈值时间测量电路示意图，普通单阈值时间测量电路由第一比较器CP1、第二比较器CP2和第一触发器T1及计时芯片TDC组成。
结合图2的单阈值法的时序图，在理想情况下，当发出激发信号时，计时芯片TDC开始计时，即计时芯片TDC上的开始计时信号start有效，在理想情况下超声波信号不会耦合有较大的噪声，设置阈值信号U1在超声波信号正半周第二个和第三个波峰之间，将阈值信号U1和超声波信号同时经过第一比较器CP1和第一RS触发器T1，得到理想使能信号，同时超声波信号经过第二比较器CP2得到过零比较信号，当理想使能信号置高时，计时芯片TDC开始捕获过零比较信号的上升沿，在过零比较信号产生第一个上升沿的时候，计时芯片TDC停止计时，即计时芯片TDC的停止信号stop有效，那么此时从开始计时信号start有效开始计时到停止信号stop有效停止计时的时间就是理想情况下超声波传播时间t1。
但是从实际来说，接收到的超声波信号可能耦合有脉冲噪声信号，如果接收到的超声波信号上的前置脉冲噪声信号较大时，就有可能造成测量错误的情况。如图2所示，当超声波信号之前耦合有正向脉冲噪声，正向脉冲噪声的最大幅值超过了阈值信号U1，此时阈值信号U1和正向脉冲噪声通过第一比较器CP1和RS脉冲触发器T1，产生实际使能信号，同时正向脉冲噪声会通过第二比较器CP2产生噪声过零比较信号，当实际使能信号置高时，计时芯片TDC捕获噪声过零比较信号的第一个上升沿，得到实际停止信号，这样计时芯片TDC上的停止信号stop有效，计时芯片TDC停止计时，那么从开始计时信号start有效开始计时到实际停止信号stop有效停止计时的时间就是实际情况下超声波传播时间t2。从图2的时序图中可以发现，单阈值下实际从开始计时到接收到停止信号的时间t2远小于理想情况下从开始计时到接收到停止信号的时间t1，这样就造成非常大的测量误差，这就是单阈值法在计时电路上由于无法滤除脉冲噪声信号而导致的测量问题。
如图1所示，本发明在普通超声波信号计时电路的基础上增加了运算放大器AP1，第三比较器CP3，RS触发器T2以及与门G1，接收的超声波信号除了通过第一比较器CP1和第二比较器CP2，还会同时通过运算放大器AP1。第一RS触发器T1上输出的脉冲触发信号EN1不再直接与计时芯片TDC相连，而是和第二RS触发器T2上输出的脉冲触发信号EN2共同通过与门G1产生停止使能信号EN_stop与计时芯片TDC相连。
如图3所示，当超声波信号耦合有前置正向脉冲噪声的时候，阈值信号U1和超声波信号通过第一比较器CP1和第一RS触发器T1产生脉冲触发信号EN1，当超声波信号和正向脉冲噪声进入运算放大器AP1时，超声波信号和正向脉冲噪声均被翻转，即图3中所示的反向脉冲噪声和反向超声波信号，阈值信号U2是反向超声波信号正半周（即超声波信号负半周）第2个波峰及第3个波峰之间的一个值，反向超声波信号与阈值信号U2经过第二比较器CP2和第二RS触发器T2得到脉冲触发信号EN2，脉冲触发信号EN1和脉冲触发信号EN2经过与门G1得到停止使能信号EN_stop。同时，超声波信号经过第二比较器CP2得到过零比较信号，当停止使能信号EN_stop有效时，计时芯片TDC捕获之后的过零比较信号的上升沿，得到停止信号，这样计时芯片的停止信号stop有效，从开始计时信号start有效开始计时到停止信号stop有效停止计时的时间就是双阈值下超声波传播测量时间t3。从图3的时序图中可以看出，触发点D1是理想情况下，阈值信号U1与超声波信号产生理想使能信号的触发点，触发点D3是双阈值法下产生停止使能信号EN_stop的触发点，触发点D1和触发点D3在超声波信号同一周期的波上，因此双阈值下的停止信号触发点和理想情况下停止信号触发点为同一触发点D2，也就是说双阈值下的停止信号触发的时间点和理想情况下停止信号触发的时间点相同，那么双阈值下超声波传播测量时间t3与理想情况下超声波传播时间t1相等。因此，本发明可以在计时电路中去除正向脉冲噪声对信号时间测量的影响，比单阈值测量电路准确可靠。
同理，如图4所示，如果超声波信号耦合进前置负向脉冲噪声，那么脉冲触发信号EN1和脉冲触发信号EN2经过与门G1得到停止使能信号EN_stop，停止使能信号EN_stop同样不受反向脉冲噪声的影响，双阈值下的停止信号触发点D4和理想情况下停止信号触发点D2在超声波信号中的位置相同，也就是说在存在负向脉冲噪声的情况下，停止信号stop触发的时间点和理想情况下停止信号stop触发的时间点相同，那么双阈值下超声波传播测量时间t4与理想情况下超声波传播时间t1相等。因此，本发明可以在计时电路中去除负向脉冲噪声对信号时间测量的影响，比单阈值测量电路准确可靠。

Claims (4)

1.一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法，在超声波信号传播时间测量的过程中，根据多阈值法设置多个阈值信号，阈值信号分别与正半周超声波信号、负半周超声波信号比较，产生与多个阈值信号相等的脉冲触发信号，多个脉冲触发信号结合逻辑门电路得到一个使能信号，当耦合进超声波信号的前置脉冲噪声影响其中任何一个脉冲触发信号时，获得的使能信号不会受前置脉冲噪声的影响，从而避免了前置脉冲噪声对时差式超声波流量计传播时间测量的影响；
其特征在于：所述多阈值法是指设置大于等于两个阈值信号，且至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大正峰值信号之间、至少一个阈值信号介于零电压信号与超声波信号最大负峰值信号的绝对值之间，阈值信号的大小分别根据前一次测量得到的超声波信号最大正峰值和最大负峰值而定，阈值信号触发超声波信号时，在超声波信号的同一周期的波上产生脉冲触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法，其特征在于：所述逻辑门电路是指由逻辑或门、逻辑与门、逻辑非门、逻辑与非门单个或多个逻辑芯片组成的逻辑门电路，用于得到计时单元的使能信号。
3.根据权利要求1所述的一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法，其特征在于：所述使能信号是指由逻辑门电路产生，用于控制计时单元停止计时工作的信号，当使能信号有效时，计时单元才能识别停止计时的信号。
4.根据权利要求1所述的一种应用于时差式超声波流量计的脉冲噪声滤除方法，其特征在于：所述前置脉冲噪声是指时差式超声波流量计的超声波信号到达之前，耦合进来的脉冲噪声。
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