CN106871980A - 基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统，通过间歇式激励信号(即发射一次连续非编码激励信号，间歇一定时间后，再发送一次连续非编码激励信号)激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；然后对接收到的回波信号进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的8个过零点的平均值作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量。

Description

基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号 处理方法和系统

技术领域

本发明涉及流量测量领域，为一种气体超声波流量变送器，特别是一种基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统。本发明采用间歇式激励方法产生超声波信号，采用相邻峰值最大差值方法并结合过零检测方法处理超声回波信号，实现气体流量的测量。

背景技术

气体超声波流量计(又称气体超声流量计)具有精度高、无压损、测量范围广等诸多优点，在气体流量测量方面应用广泛，特别在大口径管道的天然气流量测量方面，其优越性更加明显。气体超声波流量计常用的测量方法(原理)有传播速度差法和多普勒法等。传播速度差法又包括时差法、相差法和频差法。其中，时差法是气体超声流量计采用的最为广泛和有效的测量方法。基于时差法测量原理的气体超声波流量计测量流量时，首先需要激励信号以驱动发射换能器发出超声波信号；接收换能器再将接收到的超声波信号转化为回波信号；根据回波信号找到一个稳定的特征点来确定顺流和逆流的传播时间，进而计算出气体流量。但是，由于超声波信号在气体中传播时，其能量会产生较大衰减，所以，回波信号幅值较小，信噪比较低，容易受噪声、流量波动等的影响。同时，激励信号的长度、幅值等都会直接影响回波信号的品质。

国内外学者对气体超声流量计的激励技术进行了研究，主要提出了以下几种方法。

(1)调频编码激励方法

调频编码激励方法主要分为线性调频、非线性调频和阶梯调频。该激励方法包含单个或多个频段的载波(如正弦波)，通过增加激励信号的带宽，来提高回波信号的幅值。Tanisawa S等采用一种调频信号来激励超声波换能器(Tanisawa S.，Hirose H..Study ona gas FM ultrasonic flow rate sensor for a small diameter pipe[C].Proceedingsof the 43st SICE Annual Conference IEEE(SICE 2004)，2004，1：521-524.)，以保证声场的稳定，有效地减少驻波和反射波的影响。但是，由于超声换能器的带宽较窄，导致整个系统的带宽受限，超出换能器通带外的能量转换效率低，因此，从回波信号幅值角度考虑，调频激励的效果并不明显。

(2)调相编码激励方法

调相编码激励方法主要分为m序列、L序列、H序列、双素数序列和巴克码。每种调相编码激励信号都有一段特殊编码顺序的序列，而每种序列一般由两种载波(用二进制数0和1表示)组成，两种载波之间具有相对固定的相位差。在同一序列中，同一载波的形状和长度相同。在不同的序列中，载波的形状和长度都可以不同。Nowicki A等采用一种调相编码信号激励换能器(Nowicki A.,Klimonda Z.,Lewandowski M.,et al.Comparison of soundfields generated by different coded excitations-experimental results[J].Ultrasonics,2006,44(1):121-129.)，发现调相编码和短脉冲激励信号声场分布相似，而调相编码激励能够更有效地抑制相关函数旁瓣。Jacobson S.A.等采用11位巴克码作为激励信号(Jacobson S.A.，Lynnworth L.C.，Korba J.M..Differential CorrelationAnalyzer[P].U.S：4787252，1988-11.)，能得到相关函数旁瓣最小的回波信号。Ricci M采用m序列作为激励信号(Ricci M,Senni L,Burrascano P.Exploiting PseudorandomSequences to Enhance Noise Immunity for Air-Coupled Ultrasonic NondestructiveTesting[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,2012,61(11):2905-2915.)，能得到信噪比较高，量化噪声较小的回波信号。

(3)调幅编码激励方法

调幅编码激励方法比较特殊，主要适用于基于互相关分析的信号处理算法。码元1代表有激励信号(激励周期)，码元0代表无激励信号(止歇周期)。在激励周期内，回波信号具有较稳定的幅值；在止歇周期内，回波信号幅值基本为0。取回波信号的幅值轮廓与激励信号进行互相关运算，求取回波信号的到达时刻。Yao Z J等采用调幅编码信号(Yao Z J,Gao T,Ma H R,et al.Optimized Pseudorandom BASK Emission Sequences forUltrasonic Multi-Life Location System[J].Advanced Materials Research,2011,268-270:1850-1855.)，消除不同通道间的串扰，提高回波信号相关算法的准确度。

(4)不同编码结合激励方法

Miyamoto J等采用幅值调制的m序列作为激励信号(Miyamoto J,KajitaniH.Optimum pseudo random sequence determining method,position detectionsystem,position detection method,transmission device and reception device:US,US8427905[P].2013.)，通过对激励信号与回波信号做互相关处理，找出真实的回波信号，消除回波信号中反射波的影响。

(5)非编码激励方法

非编码激励方法是采用单个或多个连续脉冲、正弦波等对超声波换能器进行激励。该方式形式简单，易于实现。Fang M等采用不同的非编码信号激励超声波换能器(FangM,Xu K J,Zhu W J,et al.Energy transfer model and its applications ofultrasonic gas flow-meter under static and dynamic flow rates[J].Review ofScientific Instruments,2016,87(1).)，建立了能量传递模型，发现当激励电压较低时，若采用单个脉冲或正弦波激励，激励信号能量较小，回波信号幅值较低，而采用多个连续脉冲或正弦波进行激励，可以有效地提高回波信号的幅值。

国内外学者也对气体超声流量计信号处理技术进行了研究，主要有以下几种方法。

(1)基于互相关和过零检测相结合的方法

德国西门子股份公司采用一种过零检测与互相关相结合的方法计算超声波顺流和逆流的绝对传播时间(Arthur Freund,Nils Kroemer.Method for measuring the timeof flight of electric,electromagnetic or acoustic signals,EP PatentNO.0797105A2,Mar.17,1997)，首先通过某种方法获得1段不含噪声的回波信号，假设其起始时刻为t₀，同时在该回波信号中选定某1个过零点，该过零点距离起始时刻t₀的时间间隔记为t_N。然后，将该段回波信号与换能器实际采集的回波信号做互相关运算。如果互相关运算结果的最大值表征的时间间隔为t_d，同时，假设实际回波信号的起始时刻相对于激励信号发射时刻的时间间隔为t₁，那么回波信号的传播时间为：

t＝t₁+t_d+t_N-t_korr (1)

式中，t_korr为修正时间，它包括换能器转换延时和电路传输延迟。这种方法能够可靠地从混杂有噪声信号的接收波形中检测出回波信号，并且由于过零点附近具有较高的幅值分辨率，所以，适合于嘈杂的工业现场。但是，该专利中没有披露如何获取不含噪声的回波信号；同时，还存在互相关运算量大等问题。

(2)基于相位突变的方法

奥地利AVL里斯托有限公司(Mario Kupnik,Andreas Schroder,MichaelWiesinger,Klaus-Christoph Harms.Ultrasonic gas flowmeter as well as device tomeasure exhaust flows of internal combustion engines and method to determineflow of gases,US Patent NO.2005/0066744A1,Mar.31,2005)采用监测超声回波信号在从无到有的过程中相位的突变来实现流量测量。由于回波信号呈纺锤体型，因此，首先寻找到回波信号的幅值最大点，并且通过希尔伯特变换计算获得信号的相位信息，再以回波信号的最大幅值点对应的时刻为起点，寻找回波信号上最大幅值前面的部分，找到相位停止持续变化的时间点，将该点作为相位突变点。通过这个相位突变点，确定回波信号的第一个过零点，进而获得超声波顺流、逆流传播时间。可是，这种方法计算量大，并且易受现场噪声的影响，不便于工业现场的实际应用。

(3)基于移位叠加的方法

为了提高回波信号的信噪比，荷兰的Instromet公司采用了移位叠加的方法(Eduard Johannes Botter.Ultrasonic signal processing method and applicationsthereof,US patent NO.7254494B2,Aug.7,2007)。此方法首先按照一定的时间间隔连续发送8次激励信号，获得相应的8组回波信号，然后，将这8组回波信号按照预设的时间进行移位叠加，使回波信号获得增强，而噪声信号由于其随机性，在叠加的过程中会相互抵消而衰减。最后，再通过阈值检测的方法获得超声波顺流、逆流传播时间。该方法利用回波信号和噪声信号各自的时域特征，有效地提高了信噪比。但是，重复发射超声激励信号，延长了系统的测量时间，影响了流量计的动态响应。当流量发生突变时，将会产生较大的测量误差。

(4)基于互相关及其衍生的方法

由于在超声波流量计工作工程中，顺流和逆流时产生的回波信号之间具有相关性，而噪声与信号之间不具有相关性，因此可以利用互相关及其衍生方法计算超声波的传播时间差。传统的互相关计算如式(2)所示，其中，假设顺流时的回波信号为x(t)，逆流时的回波为y(t)，那么，R_xy(τ)取得最大值时所对应的时间位移τ，即为顺流传播时间与逆流传播时间之差。传统的互相关方法运算量大，难以利用单片机的有限资源实时实现。为了减少互相关的运算量，日本东京计装(Keiso)株式会社采用了一种互相关衍生算法(Tokio Sugl,Tadao Sasaki.Ultrasonic flow meter,US patent NO.007299150B1,Nov.20,2007)，如式(3)所示，其中，m为移位步数，N为采样点数，那么，S_xy(m)取得最大值时所对应的移位步数m表征了顺流和逆流传播时间之差。通过对比公式(2)和(3)，不难发现，这种互相关衍生算法利用加法取模运算代替了原互相关算法中的乘法运算，减少了运算量。可是，同时也带了测量的误差，尤其当噪声干扰较大的时候，极有可能出现计算错误。

(5)基于可变阈值的过零检测方法

为了找到稳定的特征点以计算超声波传播时间，汪伟等提出一种基于可变阈值过零检测气体超声波流量信号处理方法(汪伟,徐科军,方敏,等.一种气体超声波流量计信号处理方法研究[J].电子测量与仪器学报,2015,29(9):1365-1373；徐科军，方敏，汪伟，朱文姣，沈子文。一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计，申请中国发明专利，公开号CN104697593A，申请日2015.06.10.)，根据信号幅值的大小设定一个可变的阈值。这个阈值根据最大峰值实时调整，与最大峰值成一定比例。通过这个可变的阈值可以准确地找到回波信号的某个特征波，然后，进行过零检测，将过零点作为特征点，从而求得超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算出准确的气体流量。虽然该方法取得了较好的实验结果，但是，该方法未研究与之对应的效果更佳的激励信号，并且，该方法需要在测量流量之前进行阈值参数的选取，操作相对复杂。

发明内容

针对从气体超声波流量计回波信号中难以确定到达时刻，而仪表又要求具有较高实时性的问题，本发明提出了一种基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计信号处理方法。为了提高该信号处理方法的测量精度，本发明又提出了一种间歇式激励方法。并在合肥工业大学研制的双声道气体超声波流量计的硬件平台上(徐科军，方敏，汪伟，朱文姣，沈子文。一种基于FPGA(现场可编程门阵列)和DSP(数字信号处理器)的气体超声流量计，申请中国发明专利，公开号CN104697593A，申请日2015.06.10)，实现基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法。

首先，通过间歇式激励信号(即发射一次连续非编码激励信号，间歇一定时间后，再发送一次连续非编码激励信号)激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；再对回波信号进行放大、滤波，用5MHz的ADC(模数转换器)对其进行采样；通过FPGA转存到DSP中。DSP对其进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的8个过零点的平均值作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量。

附图说明

图1是气体超声波流量计的硬件框图。

图2是DSP软件功能框图由主监控程序和各个子程序模块组成。

图3是气体超声流量计系统主控芯片—FPGA和DSP的工作流程图。

图4是定时器中断服务程序。

图5是间歇式激励方法原理示意图。

图6是间歇式激励信号中的一种。

图7是间歇式激励信号的产生过程。

图8是间歇宽度为1.7us时得到的回波信号归一化后的波形图。

图9是基于相邻峰值最大差值的信号处理方法步骤。

图10是基于相邻峰值最大差值的信号处理方法图解。

图11是有流量情况下激励信号的起始时刻、回波信号起始时刻和特征点对应时刻之间的关系。

图12是零流量下激励信号的起始时刻、回波信号起始时刻和特征点对应时刻之间的关系。

具体实施方式

参见图1，本发明的硬件系统由换能器单元、发射/接收信号通道切换电路、激励信号产生与放大电路、回波信号调理与采样电路、DSP最小系统、FPGA最小系统和电源管理模块组成。

所述换能器单元由四个换能器组成，分别固定安装在输送气体流量的管道上；四个换能器分别为换能器1、换能器2、换能器3和换能器4，组建成为直射式双声道结构；每个换能器既作为发射换能器，又作为接收换能器。

所述DSP最小系统由DSP芯片、时钟模块、外部看门狗模块、FRAM(铁电存储器)模块、串口通讯模块和按键/液晶模块组成，其中DSP芯片的型号为TMS320F28335。

所述FPGA最小系统由FPGA芯片、时钟模块、复位电路模块和FLASH(闪存)模块组成，其中FPGA芯片的型号为EP2C8Q208C8N。其中，FPGA内部的模块包括RAM_2PORT数据存储模块、ROM数输出模块、DAC驱动控制模块、时钟分频模块和延时控制模块。

所述电源管理模块提供系统所需的模拟电源(+12V、-12V、+5V、-5V)，以及数字电源(+3.3V、+1.9V、+1.2V)。

图2所示为DSP软件功能框图由主监控程序和各个子程序模块组成；其中，各个子程序模块包括初始化模块、发射/接收信号通道切换模块、与FPGA数据传输模块、中断模块、计算模块、FRAM读写模块、串口通讯模块、脉冲输出模块、按键输入模块以及液晶显示模块。主监控程序是整个系统的总调度程序，通过调动各个子程序模块实现系统的各项功能。

图3所示气体超声流量计系统主控芯片—FPGA和DSP的工作流程图。气体超声流量计系统上电后，FPGA进行初始化，建立相应的电路结构，并等待DSP发送激励起始信号；同时，DSP对GPIO口进行分配，完成定时器中断初始化、液晶显示初始化、从铁电存储器模块内读取累积计流量、初始化流量计各项参数等各项初始化任务。然后，DSP向FPGA发送激励起始信号；接着，DSP切换相应的激励、回波信号选通声道，并检测标志位是否为0。若为0，则直接进入等待转存起始信号状态；若为1，则更新液晶显示，完成上位机通讯，并将标志位置为0。而FPGA收到激励起始信号后，向延时控制模块发送延时起始信号，开始延时计数，并通过DAC驱动控制模块控制FPGA将内部ROM(只读存储器)数据输出模块中预存的激励信号波形数据输出至图1中所示的激励信号产生与放大电路。由该电路中的DAC(数模转换器)电路将数字信号转化为模拟信号，再经功率放大电路、电压放大电路后，通过发射/接收信号通道切换电路加载到选通的发射换能器上。发射换能器产生的超声波信号，在气体介质中传播一定时间后，由接收换能器接收，并转化为回波信号。回波信号传输至图1中所示的回波信号调理与采样电路，经放大、滤波后，再由FPGA内部的ADC采样控制模块，控制ADC以5MHz的采样频率对回波信号进行采样。采样的起始时刻由FPGA内部相应的延时控制模块决定，采样结果存放在FPGA内部的RAM_2PORT数据存储模块中。采样完成后，FPGA向DSP发送转存起始信号。DSP收到该信号后，开始转存FPGA中存储的采样数据，并采用本发明提出的基于相邻峰值最大差值的信号处理方法找到特征点位置，确定超声波信号在顺流、逆流中的传播时间。由于双声道气体超声流量计计算一次瞬时流量需要确定每个声道的顺流、逆流传播时间，因此，循环完成四次上述过程后，可确定两个声道的顺流、逆流传播时间，完成一次瞬时流量的计算，再根据计算出的瞬时流量进一步计算出累积流量。

图4所示为定时器中断服务程序。定时器的时间计数为1s，当定时器计时达到1s时，DSP会进入该中断程序，读取瞬时流量，计算累积流量，并完成PWM输出；同时，将定时器的标志位置为1，此处所述标志位与图3中所述的标志位相同。

图5所示为间歇式激励方法原理示意图。当采用非编码激励信号激励发射换能器时，产生的超声波信号由接收换能器接收，输出的回波信号呈纺锤体形。图5所示的激励信号即为非编码激励信号中的一种，这种激励信号采用正弦波作为基本波形，进行周期延拓，得到5个连续的正弦波信号，作为一次非编码激励信号。由于超声波换能器存在阻尼特性，当采用激励信号激励发射换能器时，接收换能器接收到的回波信号将经过一段时间后才会衰减到零。若紧接着对发射换能器再次进行激励，接收换能器输出的回波信号就会与之前的回波信号叠加在一起，形成如图5中所示的叠加波形。所述的间歇式激励方法(即发射一次连续非编码激励信号，间歇一定时间后，再发送一次连续非编码激励信号)，结合了非编码激励方式简单、编码激励包含波形组合的优点，在一次完整激励中，发射前后两次非编码激励信号。若前后两次激励都采用长度相同、频率与换能器中心频率相同的信号，那么，前后两次回波信号的频率和轮廓势必也相同。而通过改变两次激励的间歇宽度，会使前后两次回波信号产生不同位置的叠加。由于回波信号是周期振荡的，如果能调节两次激励信号间歇，恰好使前后两次的回波信号部分反相抵消、部分正相叠加，就能得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号。

图6所示为间歇式激励信号中的一种。即发送5个连续正弦波信号，间歇一定时间后，再发送5个连续正弦波信号，其基本波形为正弦波。另外，基本波形也可以采用方波、锯齿波、三角波等波形。基本波形的频率以换能器的中心频率为最优，这样能保证最有效地传递激励信号的能量。而采用5个正弦波是为了保证回波信号具有较高的信噪比。

图7所示为间歇式激励信号产生过程，其中，包括了激励信号产生与放大电路的组成。以产生图6所示的间歇式激励信号为例，首先将一个周期的基本正弦波波形数据存入FPGA的ROM数据输出模块中。当接收到DSP发送的激励起始信号后，FPGA连续调用5次ROM数据输出模块中存储的正弦波数据，等待一定间歇时间后，FPGA再次连续调用5次ROM数据输出模块中存储的正弦波数据。调用的数据输出至图1中所示的激励信号产生与放大电路，由该电路中的DAC(数模转换器)电路将数字信号转化为模拟信号，再经功率放大电路、电压放大电路后，通过发射/接收信号通道切换电路加载到选通的发射换能器上。

图8所示为间歇宽度为1.7us时得到的回波信号经归一化后的波形图。该波形图即为调节图6中前后两次5个连续正弦波的间歇，使间歇宽度为1.7us时得到的归一化后的回波信号。从图中可以明显看出，得到的回波信号中相邻峰值差值较大，且位于后次回波信号的上升阶段(或称第二次峰值的上升阶段)。

图9所示为基于相邻峰值最大差值的信号处理方法步骤。

图10所示为基于相邻峰值最大差值的信号处理方法图解。由于双声道气体超声流量计计算一次瞬时流量需要确定每个声道的顺流、逆流传播时间，因此，循环完成四次信号处理，才能确定两个声道的顺流、逆流传播时间，完成一次瞬时流量的计算。在此，以计算其中一个声道的顺流传播时间为例，叙述基于相邻峰值最大差值的信号处理方法的步骤。首先需要气体超声波流量计发射一次图6所示的激励信号，将该激励信号的间歇宽度设置为1.7us。然后会接收到如图8所示的回波信号，再通过本发明所提出的相邻峰值最大差值的方法进行信号处理，得出顺流传播时间。如图9所示的具体步骤为：

(1)对回波信号进行滤波、归一化处理

采用四阶巴特沃斯带通滤波器构成零相位滤波器，对采集的一组回波信号数据进行实时的带通滤波处理，通带范围为120kHz～280kHz。所述的零相位滤波器，是将回波信号数据顺序、反序通过四阶巴特沃斯带通滤波器，得到滤波前后无相位差的回波信号。再找出回波信号的最大峰值A_max，对所有采样值除以最大峰值A_max，即可得到归一化的回波信号。

(2)设置寻找各峰值点的起始位置并寻找各峰值点

为了降低运算量，去掉前面幅值较小的采样点，预先设定一个阈值M(M可取0.2～0.6之间的任意值)，如图10所示。从起始采样点开始，往后寻找，找到最近的归一化后采样值大于M的采样点，将找到的采样点位置作为寻找各峰值点的起始位置。从起始位置开始，比较三个连续采样点的中间点是否为三个采样点的最大值。若为最大值，则作为一个峰值点；若不为最大值，则不作处理。按照上述步骤找出回波信号中的各峰值，如图10所示。

(3)比较得出第二次峰值上升阶段的各峰值点

通过比较找到各峰值点的大小，找出回波信号中第二次峰值上升阶段的各峰值点，如图10中方框所示。

(4)计算相邻峰值的差值，并找出最大值

对第二次峰值上升阶段的所有峰值点，用后一个峰值减前一个峰值的方法，得到各相邻两峰值的差值ΔA。最后，比较各相邻两峰值的差值大小，得到相邻峰值最大差值ΔA_max，如图10所示。

(5)找出特征点，并确定传播时间

通过相邻峰值最大差值ΔA_max的位置，找出该最大差值对应的特征波，并找出特征波后的8个过零点，如图10所示。将特征波后的8个过零点的平均值作为特征点，确定传播时间，以消除一些随机误差，提高测量精度。若超声波的顺流传播时间为T_d|_Flow，则

式中，T|_Flow为有流量情况下激励信号起始时刻到特征点对应时刻的时间长度，τ_i(i＝1,2,3…8)为过零点时间，t'为一个根据零流量下的传播时间求得的固定偏差值，其关系如图11所示。由于零流量下超声波的传播速度V_s不受流体的影响，是固定不变的；而超声波传播声道的长度L是已知的,因此，可直接计算出零流量下的顺流传播时间T_d|_Flow＝0。

再实测得到零流量下激励信号的起始时刻到特征点对应时刻的时间长度T|_Flow＝0，而零流量下激励信号的起始时刻、回波信号起始时刻和特征点对应时刻之间的关系，如图12所示，则t′为

t′＝T|_Flow＝0-T_d|_Flow＝0 (6)

重复步骤(1)～(5)4次，就完成了双声道顺流和逆流传播时间的测量，根据公式(7)，即可计算出两个声道的瞬时流量Q。

式中，为声道上的平均速度，S为管道的横截面积，α表示一个与声道数量、声道分布及雷诺数等因素有关的修正系数，L表示声道长度，θ表示换能器与气体管道之间夹角，T_d、T_u分别表示同一声道的超声波顺流、逆流传播时间。由于双声道是对称分布的，因此，两个声道计算的流量值权重各为0.5，则最终的瞬时流量Q′为

Q′＝0.5*Q₁+0.5*Q₂ (8)

式中，Q₁、Q₂分别表示两个不同声道，根据公式(7)计算出的瞬时流量。

在得到最终的瞬时流量后，根据如图4所示的DSP定时器的中断服务程序，每隔1秒钟计算一次累积流量，并完成相应显示、输出、通讯等功能。

表1所示为基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统在安徽省计量科学研究院进行实流标定实验的结果。超声流量计检定规程(JJG1030—2007.超声流量计，中华人民共和国国家计量检定规程[S].国家质量监督检验检疫总局,2007.)要求1级精度气体超声波流量计流量范围大于3m/s(约85m³/h)时，平均实际脉冲系数误差小于±1％，重复性小于0.2％；流量范围小于3m/s(约85m³/h)时，平均实际脉冲系数误差小于±2％，重复性小于0.4％。从表1可知，最大平均实际脉冲系数误差为+0.132％，最大重复性误差为0.07％。实验结果表明，间歇式激励方法配合相邻峰值最大差值的信号处理方法的气体超声流量计系统的测量精度满足超声流量计检定规程对1级精度气体超声波流量计的相关要求。并且，其采用的相邻峰值最大差值的信号处理方法计算简单，能保证气体超声波流量计系统具有更高的实时性，因此，实验结果远优于1级精度气体超声波流量计的相关要求。

表1标定结果

Claims (3)

1.基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统，包括换能器单元、发射/接收信号通道切换电路、激励信号产生与放大电路、回波信号调理与采样电路、DSP最小系统、FPGA最小系统和电源管理模块、间歇式激励方法和基于相邻峰值最大差值的信号处理方法软件；通过间歇式激励信号激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；再对回波信号进行放大、滤波，用5MHz的ADC(模数转换器)对其进行采样；通过FPGA转存到DSP中；DSP对其进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的过零点作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量；其特征在于：采用间歇式激励方法激励超声波换能器，得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号，配合基于相邻峰值最大差值的信号处理方法，得到更佳的测量效果。

2.如权利要求1所述的间歇式激励方法，其特征在于：结合了非编码激励方式简单、编码激励包含波形组合的优点，在一次完整激励中，发射前后两次非编码激励信号，即先发送一次非编码激励信号，间歇一定时间，再发送一次非编码激励信号；如果调节两次激励信号间歇宽度，恰好使前后两次的回波信号部分反相抵消、部分正相叠加，就能得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号；其中，非编码激励信号中的基本波形可以采用正弦波、方波、锯齿波、三角波等任意波形。

3.如权利要求1所述的基于相邻峰值最大差值的信号处理方法，其特征在于：通过相邻峰值最大差值的位置找到对应的特征波，将特征波后的过零点作为特征点，确定顺流、逆流的传播时间，进而计算气体流量；具体的步骤为：

(1)对回波信号进行滤波、归一化处理

采用四阶巴特沃斯带通滤波器构成零相位滤波器，对采集的一组回波信号数据进行实时的带通滤波处理，通带范围为120KHz～280KHz；所述的零相位滤波器，是将回波信号数据顺序、反序通过四阶巴特沃斯带通滤波器，得到滤波前后无相位差的回波信号，再找出回波信号的最大峰值A_max，对所有采样值除以最大峰值A_max，即可得到归一化的回波信号；

(2)设置寻找各峰值点的起始位置并寻找各峰值点

为了降低运算量，去掉前面幅值较小的采样点，预先设定一个阈值M(M可取0.2～0.6之间的任意值)；从起始采样点开始，往后寻找，找到最近的归一化后采样值大于M的采样点，将找到的采样点作为寻找各峰值点的起始位置；从起始位置开始，比较三个连续采样点的中间点是否为三个采样点的最大值；若为最大值，则作为一个峰值点；若不为最大值，则不作处理；按照上述步骤找出回波信号中的各峰值；

(3)比较得出第二次上升阶段的各峰值点

通过比较找到各峰值点的大小，找出回波信号中第二次上升阶段各峰值点；

(4)计算相邻峰值的差值，并找出最大值

对第二次上升阶段的所有峰值点，用后一个峰值减前一个峰值的方法，得到各相邻两峰值的差值ΔA；最后，比较各相邻两峰值的差值大小，得到相邻峰值最大差值ΔA_max；

(5)找出特征点，并确定传播时间

通过相邻两峰值之间差值的最大值ΔA_max的位置，找出该最大差值对应的特征波，并找出特征波后的8个过零点，将特征波后的8个过零点的平均值作为特征点，通过特征点位置，确定顺流、逆流的传播时间，进而计算气体流量。