CN105841765A - 基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法，该方法具体为：膜式燃气表进、出气口的差压传感器获取的差压信号经放大、A/D转换处理及加窗预处理后得到的短时平稳电压信号为x(n)，其短时自相关函数Rx(m)计算式为：通过外接数据采集处理模块，在一段时间内等间隔采样差压信号并将所得信号数值做短时自相关分析，可以获得被检表的回转周期值从而计算得到回转体积。本发明在保持较好准确率的基础上，大大提高了检测效率。

Description

基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法
技术领域
本发明涉及膜式燃气表技术领域，特别是涉及一种通过短时自相关算法获得膜式燃气表回转体积的方法。
背景技术
膜式燃气表不仅是生产发展、贸易结算的计量器具，并且作为一种节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具，需要积极响应国家“低碳生活、节能降耗”号召。因此，不论在大中企业还是家庭用户，膜式燃气表都扮演了重要的角色。
膜式燃气表工作的基本原理是：燃气表属于容积式气体流量计，它采用柔性膜片计量室方式来测量气体体积流量。当气体流经燃气表时，会在管道摩内产生摩擦，同时由于受到表内机构的阻挡，会在燃气表进气口和出气口产生压力差，借助此压力差以推动膜表内的膜片在气腔内运动，同时带动表内配气机构的辅助配气，从而使膜片进行往复运动。再由膜式燃气表内曲柄摇杆机构连动运动传递机构，推动表头的字轮计数器转动，记录膜片往复运动的次数。由于膜片每往复一次，排出定量的气体也即回转体积，计数器通过传动链的转换，显示出计量的气体的体积或能量值，达到计量气体的目的。
回转体积是燃气表计量室完成一个工作循环所排出的气体体积。分析膜式燃气表的工作原理，燃气表一旦成产，其回转体积也即固定。膜表气腔内两个隔膜交替运动以驱动表内四杆机构运动，当该机构完成一次回转时，膜表即完成了一回转体积的进排气。由此可知，膜式燃气表的回转体积是膜式燃气表计量的最基本单位。
由于差压信号与膜式燃气表的回转运动具有很好的相关性，目前可以用自相关分析的方法得出的差压信号的周期代表燃气表的回转周期。但在进行自相关分析时采样需要满足采样定理(采样频率需大于信号中最高频率的2倍)，所以本文提出一种通过应用短时自相关算法来提高膜式燃气表的回转体积获得效率的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积的获得方法。
对于两个长度相同，能量有限的信号序列x(n)和y(n)，称为x(n)和y(n)的互相关函数。如果y(n)＝x(n)，则上面定义的互相关函数变成了自相关函数：式中，m为信号的延迟点数。自相关函数反映了信号x(n)和自身作了一段延迟之后的x(n+m)的相似程度。自相关函数具有以下的性质：如果序列x(n)具有周期Np，则其自相关函数也是同周期的周期函数。即：若x(n)＝x(n+Np)，则R(m)＝R(m+Np)。
由于差压信号与膜式燃气表的回转运动具有很好的相关性，可以用自相关分析的方法得出的差压信号的周期代表燃气表的回转周期。为了提高获得燃气表回转体积的效率，减小运算量，本文提出了一种基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积的获得方法，即在差压传感器信号经过A/D转换后得到的电压信号的第N个样本点附近用短时窗截取一段信号，做自相关计算得到燃气表的回转周期，从而计算得到回转体积，其具体实施步骤如下：
(1)首先差压传感器采集膜式燃气表工作时进、出气口的差压信号。
(2)将步骤(1)所述差压信号进行信号调理及A/D转换得到电信号。主要是使其通过一个差分放大电路再通过一个程控放大电路以达到信号调理的目的，再使其通过一个A/D模块以完成差压信号到电压信号的转换。
(3)对步骤(2)所得电信号进行加窗预处理，使该信号变为短时平稳信号段。加窗处理选择汉明窗，其主瓣宽度大，可较好地保留波形细节。汉明窗公式为：式中，N为信号段长度；M为最大的延迟点数；M＜N。要求一窗之内出现3～4个周期；
(4)使步骤(3)中的信号段进行短时自相关处理，得到信号周期位置出现的峰值。其短时自相关函数Rx(m)计算式为：m为信号的延迟点数。
(5)根据步骤(4)中得到的峰值位置估计差压信号中的回转周期。短时自相关函数Rx(m)具有最大值，均在回转周期的整数倍出现峰值。
(6)根据步骤(5)中得到的回转周期计算出回转体积。由示值误差公式，可推导出如下公式：式中Vm—大流量检定时，色标传感器测得的被检膜表的体积示值；tm—Vm对应的测量时间；Vc—回转体积；N—大流量点检定时当量回转体积个数；tn—N个回转对应的测量时间。据此计算得到该膜式燃气表准确的回转体积示值Vc。
本发明所采用的技术方案是：
设膜式燃气表进、出气口的差压传感器获取的差压信号经放大、A/D转换处理后得到的电压信号为x(n)，其短时自相关函数Rx(m)计算式为：通过外接数据采集处理模块，在一段时间内等间隔采样差压信号并将所得信号数值做短时自相关分析，可以获得被检表的回转周期值从而计算得到回转体积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：短时自相关检测算法是一种基于时域分析理论的较好的算法，是目前最实用、可靠和广泛使用的周期检测方法之一，具有物理意义明确和方法简便等优点。经过对算法编程、调试、实验，只需要一窗之内出现3～4个周期，至少2个周期，所以它在保持较好准确率的基础上，大大提高了检测效率。
附图说明
图1为：短时自相关法获得膜式燃气表回转体积的流程图
具体实施方式
本发明提供了一种膜式燃气表回转体积的获得方法。下面结合附图以及实施例对本发明进一步说明。实施例为本发明举例，并非对该发明限定。
如图1所示，短时自相关法获得膜式燃气表回转体积的过程可以分为6个步骤：(1)首先差压传感器采集待处理的差压信号。(2)将上述差压信号进行信号调理及A/D转换。(3)对上述信号进行加窗预处理，使该信号变为短时平稳信号段。(4)使步骤(3)中的信号段进行短时自相关处理，得到信号周期位置出现的峰值。(5)根据步骤(4)中得到的峰值位置估计差压信号中的回转周期。(6)根据步骤(5)中得到的回转周期计算出回转体积。
首先差压传感器采集膜式燃气表在工作时的进、出气口的差压信号，采集到的差压信号先通过差分放大电路和程控放大电路再通过A/D模块进行A/D转换。
由上一步骤所得的电信号预处理选择汉明窗，其主瓣宽度大，可较好地保留波形细节。汉明窗公式为：式中，N为信号段长度；M为最大的延迟点数；M＜N。不同的窗函数对自相关函数有不同的影响，窗长N对自相关函数的计算也有影响，窗长要求尽可能小，但窗长减小，自相关性也会随之降低，因此，窗口长度的选择至关重要，如果过短使得分析窗内没有包含足够的数据点来进行周期判断，如果过长不但不能反映信号基频的细节变化部分，而且计算量增大。一般要求一窗之内出现3～4个周期，至少2个周期。
然后进行短时自相关函数计算，短时自相关函数Rx(m)具有最大值。其短时自相关函数Rx(m)计算式为：差压信号的短时自相关函数在回转周期的整数倍出现峰值。
最后根据回转周期计算回转体积：由示值误差公式，可推导出如下公式：式中Vm—大流量检定时，色标传感器测得的被检膜表的体积示值；tm—Vm对应的测量时间；Vc—回转体积；N—大流量点检定时当量回转体积个数；tn—N个回转对应的测量时间。据此计算得到该膜式燃气表准确的回转体积示值Vc。

Claims (3)

1.基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先差压传感器采集膜式燃气表工作时进、出气口的差压信号；
步骤二：将步骤一所述差压信号进行信号调理及A/D转换得到电信号；通过一个差分放大电路再通过一个程控放大电路以达到信号调理的目的，再使其通过一个A/D模块以完成差压信号到电压信号的转换；
步骤三：对步骤二所得电信号进行加窗预处理，使该信号变为短时平稳信号段；
步骤四：使步骤三中的信号段进行短时自相关处理，得到信号周期位置出现的峰值；其短时自相关函数Rx(m)计算式为：m为信号的延迟点数；
步骤五：根据步骤四中得到的峰值位置估计差压信号中的回转周期；短时自相关函数Rx(m)具有最大值，均在回转周期的整数倍出现峰值；
步骤六：根据步骤五中得到的回转周期计算出回转体积；
由示值误差公式，可推导出如下公式：式中Vm—大流量检定时，色标传感器测得的被检膜表的体积示值；tm—Vm对应的测量时间；Vc—回转体积；N—大流量点检定时当量回转体积个数；tn—N个回转对应的测量时间；据此计算得到该膜式燃气表准确的回转体积示值Vc。
2.根据权利要求1所述的基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法，其特征在于：步骤三中的加窗预处理，具体采用汉明窗，汉明窗公式为：式中，N为信号段长度；M为最大的延迟点数；M＜N。
3.根据权利要求1所述的基于短时自相关算法的膜式燃气表回转体积获得的方法，其特征在于：加窗预处理中一窗之内出现3～4个周期。
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