CN105698886A - 一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，属新型计量器械测量领域。本发明以时差法超声波气体流量计为基础，提出了一种双阈值过零检测与数据选择算法技术，解决在不同测试环境下，由于超声波信号幅值变化带来的飞行时间测量误差问题，实现气体流量的准确计量。本发明区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。本发明具有如下优点：成本低、重复性好、无零点漂移，功耗低，适用性强。

Description

一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法

技术领域

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，属新型计量器械测量领域。

背景技术

利用超声波检测技术可实现气体传输管道中流量的测量，该技术主要应用于天然气、沼气及其他工业气体管道。采用时差法超声波气体流量检测方法，通过在测试通道中设置一对超声波传感器A、B，分别测量两者之间顺流与逆流(相对于气体流动方向)时的超声波传播时间T_AB(顺流)、T_BA(逆流)，最终计算气体流量等参数。因此可知，在超声波发射时刻确定的前提下，只需确定准确的到达时刻即可，最终可获得准确的飞行时间TOF。利用超声波传播时间计算气体流量公式如下：

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{8k}\frac{{\mathrm{LD}}^2}{COS\mathrm{\θ}}\frac{T_{BA}-T_{AB}}{T_{AB}{T}_{BA}}$

超声波在气体中飞的行时间TOF(T_AB、T_BA)是时差法超声波流量计进行流量计算的关键参数。但由于超声波信号传输受传播介质、环境(温度、湿度、压力)等因素以及超声波在气体管道内发生反射等各种原因，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化，导致不能将超声波传播信号直接与固定电压进行比较来确定超声波到达时刻，这样直接确定的到达时刻是不准确的，其飞行时间TOF会发生若干周期性变化，对测量精度有影响，导致测试不稳定。

迄今为止，人们利用时差法针对如何提高气体超声波信号飞行时间TOF检测准确性这一问题提出了很多方法，一般采用过零比较电路，将放大后信号与阈值电压比较结果作为过零比较控制信号，将过零比较器的输出作为信号到达点。为防止信号幅值变化过大，常用的方法是采用自动增益控制，该方法需要专门编写软件进行采样，并在采样后确定下次增益，其实施成本高；再者，自动增益在AD/DA转换中，精度会损失，影响了增益后的信号幅值波动，会使得过零比较控制信号跳动若干个周期，仍不能确定准确的飞行时间TOF。

专利文献CN205002814U公开了一种超声波气体流量计，提出了一种自动增益控制方法，其缺陷是由于增益不同，相位不同，不具备实时处理、同步控制调整能力，对于现场测试的随机扰动、即时干扰无法根除，从而不能准确检测到零点信号。专利文献CN101718567B公开了一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路，提出了固定增益、动态阈值的方法，其缺陷是动态阈值需要通过硬件电路实现，实施成本较高。专利文献CN105300508A公开了一种超声波信号传播超声波时间的双阈值检测电路及检测方法，具体的提出了双阈值检测方法，其中一个阈值用于开启过零比较，另外一个阈值用于过零比较，在实际操作中使用一个迟滞比较电路即可替代，实质上该方法只用到了一个过零检测电路，在信号幅值变化较大时，还是无法准确检测到零点信号；另外，现有技术还有采用DSP系统，无限制的采用高精度AD/DA转换电路，需要处理大量数据，电路规模大，实施成本高，不利于低端应用推广，同时功耗较大，不适用于电池供电产品，很多应用场合无法实施。

综上，现有技术应用时差法超声波气体流量检测技术，存在比较增益电路复杂、成本高、功耗大，控制精度不高以及适用性差等问题。

发明内容

本发明一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，具体的提出了一种双阈值过零检测与数据选择算法技术，可解决在不同测试环境下，由于超声波信号幅值变化带来的飞行时间测量误差问题，实现气体流量的准确计量。本发明区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。

本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，其特征在于，基于以下定义：

阈值：在中间电平和地电平之间任意选择两个比较电平，分别是阈值1、阈值2；

结束方波1：过零检测为阈值1时得到的方波信号，该结束方波1包括脉冲信号STOP1PLUS1、STOP1PLUS2……STOP1PLUSn，其中，n为正整数；

结束方波2：过零检测为阈值2时得到的方波信号，该结束方波2包括脉冲信号STOP2PLUS1、STOP2PLUS2……STOP2PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF1序列：由超声波发送开始至结束方波1中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF1PLUS1、TOF1PLUS2……TOF1PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF2序列：由超声波发送开始至结束方波2中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF2PLUS1、TOF2PLUS2……TOF2PLUSn，其中，n为正整数；

幅值：超声波信号最大波峰至地电平的电压值；

S1，进行参数的标定：基于测量时间TOF1序列，获取记录幅值1，所述记录幅值1为测量时间TOF1序列中发生周期跳变时的幅值；基于测量时间TOF2序列，获取记录幅值2，所述记录幅值2为测量时间TOF2序列中发生周期跳变时的幅值；

S2，测量步骤：根据当前幅值与S1中的记录幅值1和记录幅值2，选取测量时间TOF1序列和测量时间TOF2序列中正确的时间值作为最终TOF。

在上述的一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，选择正确的时间值的具体步骤是：

S2.1、根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，定义该选择结果TOF1sel；根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；否则选择TOF2PLUSn-1，定义该选择结果TOF2sel；

S2.2、若|当前幅值—记录幅值1|≥|当前幅值—记录幅值2|，选择TOF1sel；否则选择TOF2sel，该选择结果为最终TOF。

在上述的一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，选择正确的时间值的具体步骤是：

S3.1、判断|当前幅值—记录幅值1|与|当前幅值—记录幅值2|的比较值，根据该比较值进行选择执行：

选择步骤1、若|当前幅值—记录幅值1|＞|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，该选择结果为最终TOF；

选择步骤2、若|当前幅值—记录幅值1|≤|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；定义该选择结果TOF2sel；从TOF1PLUSn和TOF1PLUSn-1中选择与TOF2sel更接近的结果为最终的TOF。

本发明的优势：本发明在中间电平和地电平之间任意采用双阈值比较电平，不对信号进行处理，准确测试传播时间STOP是否产生了周期变化，从实际测量得到多个传播时间STOP脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。本发明成本低、重复性好、无零点漂移，功耗低，适用性强。

附图说明

图1为超声波信号飞行时间TOF示意图。

图2为超声波信号处理典型电路框图。

图3为超声波信号周期变化说明图。

图4为超声波信号处理增益控制电路框图。

图5为超声波信号检测双阈值法特征示意图。

图6为超声波信号处理双阈值电路框图。

图7为数据选择方法1框图。

图8为数据选择方法2框图。

图9为记录幅值方法流程图。

图10为数据选择方法1流程图。

图11数据选择方法2流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明提供一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，基于以下定义：

阈值：在中间电平和地电平之间任意选择两个比较电平，分别是阈值1、阈值2；

结束方波1：过零检测为阈值1时得到的方波信号，该结束方波1包括脉冲信号STOP1PLUS1、STOP1PLUS2……STOP1PLUSn，其中，n为正整数；

结束方波2：过零检测为阈值2时得到的方波信号，该结束方波2包括脉冲信号STOP2PLUS1、STOP2PLUS2……STOP2PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF1序列：由超声波发送开始至结束方波1中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF1PLUS1、TOF1PLUS2……TOF1PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF2序列：由超声波发送开始至结束方波2中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF2PLUS1、TOF2PLUS2……TOF2PLUSn，其中，n为正整数；

幅值：超声波信号最大波峰至地电平的电压值；

S1，进行参数的标定：基于测量时间TOF1序列，获取记录幅值1，所述记录幅值1为测量时间TOF1序列中发生周期跳变时的幅值；基于测量时间TOF2序列，获取记录幅值2，所述记录幅值2为测量时间TOF2序列中发生周期跳变时的幅值；

S2，测量步骤：根据当前幅值与S1中的记录幅值1和记录幅值2，选取测量时间TOF1序列和测量时间TOF2序列中正确的时间值作为最终TOF。

其中，选择正确的时间值有两种方式，包括：

第一种：

S2.1、根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，定义该选择结果TOF1sel；根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；否则选择TOF2PLUSn-1，定义该选择结果TOF2sel；

S2.2、若|当前幅值—记录幅值1|≥|当前幅值—记录幅值2|，选择TOF1sel；否则选择TOF2sel，该选择结果为最终TOF。

第二种：

S3.1、判断|当前幅值—记录幅值1|与|当前幅值—记录幅值2|的比较值，根据该比较值进行选择执行：

选择步骤1、若|当前幅值—记录幅值1|＞|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，该选择结果为最终TOF；

选择步骤2、若|当前幅值—记录幅值1|≤|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；定义该选择结果TOF2sel；从TOF1PLUSn和TOF1PLUSn-1中选择与TOF2sel更接近的结果为最终的TOF。

实施例：

本发明不对信号进行处理，准确测试传播时间STOP是否产生了周期变化，从实际测量得到多个传播时间STOP脉冲对应的时间值中选择合适的结果。

通过实际测试，据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，定义该选择结果TOF1sel；根据当前幅值与S1中的记录幅值，测试结果如表一：

表一

通过实际测试，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；否则选择TOF2PLUSn-1，定义该选择结果TOF2sel，测试结果如表二：

表二

通过实际测试，若|当前幅值—记录幅值1|≥|当前幅值—记录幅值2|，选择TOF1sel；否则选择TOF2sel，该选择结果为最终TOF,测试结果如表三：

表三

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。

Claims (3)

1.一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，其特征在于，基于以下定义：

阈值：在中间电平和地电平之间任意选择两个比较电平，分别是阈值1、阈值2；

结束方波1：过零检测为阈值1时得到的方波信号，该结束方波1包括脉冲信号STOP1PLUS1、STOP1PLUS2……STOP1PLUSn，其中，n为正整数；

结束方波2：过零检测为阈值2时得到的方波信号，该结束方波2包括脉冲信号STOP2PLUS1、STOP2PLUS2……STOP2PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF1序列：由超声波发送开始至结束方波1中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF1PLUS1、TOF1PLUS2……TOF1PLUSn，其中，n为正整数；

测量时间TOF2序列：由超声波发送开始至结束方波2中每个脉冲信号上升沿的时间组成的序列，包括TOF2PLUS1、TOF2PLUS2……TOF2PLUSn，其中，n为正整数；

幅值：超声波信号最大波峰至地电平的电压值；

S1，进行参数的标定：基于测量时间TOF1序列，获取记录幅值1，所述记录幅值1为测量时间TOF1序列中发生周期跳变时的幅值；基于测量时间TOF2序列，获取记录幅值2，所述记录幅值2为测量时间TOF2序列中发生周期跳变时的幅值；

S2，测量步骤：根据当前幅值与S1中的记录幅值1和记录幅值2，选取测量时间TOF1序列和测量时间TOF2序列中正确的时间值作为最终TOF。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，其特征在于，选择正确的时间值的具体步骤是：

S2.1、根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，定义该选择结果TOF1sel；根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；否则选择TOF2PLUSn-1，定义该选择结果TOF2sel；

S2.2、若|当前幅值—记录幅值1|≥|当前幅值—记录幅值2|，选择TOF1sel；否则选择TOF2sel，该选择结果为最终TOF。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测技术的气体流量检测方法，其特征在于，选择正确的时间值的具体步骤是：

S3.1、判断|当前幅值—记录幅值1|与|当前幅值—记录幅值2|的比较值，根据该比较值进行选择执行：

选择步骤1、若|当前幅值—记录幅值1|＞|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值1，若当前幅值大于记录幅值1，则从TOF1PLUSn-1和TOF1PLUSn选取TOF1PLUSn；否则选择TOF1PLUSn-1，该选择结果为最终TOF；

选择步骤2、若|当前幅值—记录幅值1|≤|当前幅值—记录幅值2|，根据当前幅值与S1中的记录幅值2，若当前幅值大于记录幅值2，则从TOF2PLUSn-1和TOF2PLUSn选取TOF2PLUSn；定义该选择结果TOF2sel；从TOF1PLUSn和TOF1PLUSn-1中选择与TOF2sel更接近的结果为最终的TOF。