CN106932038A - 一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法。通过接收信号波峰序列位置判定方法，获得超声波波峰位置信息，利用计时芯片获取接收信号首次达到阈值电压之后的三个及以上的超声波接收信号过零点时间值，根据所述波峰位置信息，利用传播时间值自适应算法，从获取的超声波接收信号过零点时间值中选取其中一个作为超声波接收信号传播时间值，实现在干扰因素变化的情况下，对超声波接收信号传播时间值的准确测量，本发明可增强时差式超声波流量计对干扰因素的抵抗能力，确保在恶劣工况下的超声波接收信号传播时间测量的准确性，提高测量精度，拓展测量上限和量程比。

Description

一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法
技术领域
本发明涉及时差式超声波流量计，尤其是涉及一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法。
背景技术
随着微电子技术不断成熟和超声领域研究的不断深入，超声波流量计以其无压损、宽量程、高精度等优异性能在流量计量领域得以广泛应用，其中，时差式超声波流量计应用最为广泛。
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差来计算流体流量。在时差式超声波流量计测量技术中，超声波接收信号传播时间值检测是最重要的技术之一。超声波接收信号传播时间值检测指的是对超声波信号在管道内的传播时间的测量。超声波接收信号传播时间值检测技术不仅是提升时差式超声波流量计测量精度的关键，也是拓展超声波流量计的测量上限和拓宽超声波流量计量程比的重要技术之一。
市场上时差式超声波流量计的主流传播时间检测方法是利用专用计时芯片进行测量，当超声波接收信号首次达到阈值电压时产生一个脉冲信号，计时芯片读取该脉冲信号之后的第一个超声波接受信号过零点时间值。然而，由于压力、温度、湿度、污渍、被测介质组分等干扰因素的存在，超声波接收信号首次达到阈值电压时的波峰序列位置并不相同，这些干扰因素将会引起计时错误，从而引起流量测量错误。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，为时差式超声波流量计在压力、温度、湿度、污渍或被测介质组分变化等干扰因素存在情况下仍能获取正确的超声波接收信号传播时间值的方法。
为达到上述目的，本发明采样的技术方案如下：
通过基于阈值比较法和峰值采样原理的超声波流量计接收信号波峰序列位置判定方法，获得超声波接收信号波峰幅值大于阈值电压的波峰位置信息，同时利用计时芯片获取超声波接收信号首次达到阈值电压之后的三个及以上的超声波接收信号过零点时间值，根据所述波峰位置信息，利用传播时间值自适应算法，从获取的所述超声波接收信号过零点时间值中选取其中一个作为超声波接收信号传播时间值，实现在温度、压力、湿度、污渍或被测介质组分干扰因素变化的情况下，对超声波接收信号传播时间值的准确测量，提高超声波流量计的抗干扰能力，提高时差式超声波流量计的测量上限，拓宽时差式超声波流量计的量程比。
所述阈值比较法是指将超声波接收信号与一个电压信号进行大小比较，当超声波接收信号首次大于电压信号时输出一个正脉冲信号。
所述超声波接收信号波峰序列位置判定方法是指通过分析时差式超声波流量计静态下与动态下获得的超声波接收信号幅值关系，确定首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置。
所述传播时间值自适应算法是指根据首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置的情况不同，从获取到的时间值中选取相应的时间值作为超声波信号传播时间值。
本发明具有的有益效果是：
本发明可以增强时差式超声波流量计对温度、压力、湿度、污渍或被测介质组分等干扰因素的抵抗能力，确保时差式超声波流量计在恶劣工况下的超声波接收信号传播时间测量的准确性，提高了超声波流量计的测量精度，拓展了超声波流量计的测量上限，拓宽了超声波流量计的量程比。
附图说明
图1是本发明测量超声波接收信号波峰序列位置的原理框图。
MCU：微处理器，TCP：计时芯片，PHC：峰值保持电路，CP1：比较器1，CP2：比较器2，RSFF：RS触发器，US：超声波接收信号，ADC：MCU的模拟信号转数字信号模块，DAC：MCU的数字信号转模拟信号模块，EN-STOP：允许停止计时信号，STOP：停止计时信号，GND：零电压，Line1：通讯线1，Line2：通讯线2。
图2是本发明在激发脉冲为7个脉冲情况下的静态工作过程时序图。
图3是本发明在激发脉冲为7个脉冲且动态超声波接收信号中第二个波首次达到阈值电压情况下的动态工作过程时序图。
S1-t表示动态超声波接收信号、峰值保持电路输出信号、阈值电压信号与时间的关系，S2-t表示允许停止计时信号与时间的关系，S3-t表示停止计时信号与时间的关系，t1表示允许停止计时信号出现的时间点，t2表示允许停止计时信号出现后的第一个停止信号时间点，t3表示允许停止计时信号出现后的第二个停止信号时间点，t4表示允许停止计时信号出现后的第三个停止信号时间点。
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。
通过基于阈值比较法和峰值采样原理的超声波流量计接收信号波峰序列位置判定方法，获得超声波接收信号波峰幅值大于阈值电压的波峰位置信息，同时利用计时芯片获取超声波接收信号首次达到阈值电压之后的三个及以上的超声波接收信号过零点时间值，根据所述波峰位置信息，利用传播时间值自适应算法，从获取的所述超声波接收信号过零点时间值中选取其中一个作为超声波接收信号传播时间值，实现在温度、压力、湿度、污渍或被测介质组分干扰因素变化的情况下，对超声波接收信号传播时间值的准确测量。
所述阈值比较法是指将超声波接收信号与一个电压信号进行大小比较，当超声波接收信号首次大于电压信号时输出一个正脉冲信号。
所述超声波接收信号波峰序列位置判定方法是指通过分析时差式超声波流量计静态下与动态下获得的超声波接收信号幅值关系，确定首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置。
所述传播时间值自适应算法是指根据首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置的情况不同，从获取到的时间值中选取相对应的时间值作为超声波信号传播时间值。
如图1、图2、图3所示，本实施例以七个脉冲激发超声波传感器进行说明。
静态时，US(超声波接收信号)经过PHC(峰值保持电路)后形成如图2所示的峰值保持电路输出信号，MCU(微处理器)通过ADC(MCU的模拟信号转数字信号模块)进行采样，从小到大直至最大依次获取静态超声波接收信号的各个波峰幅值。由第i个(1、2、…、n-1)静态波峰峰值QAm与倒数第n个静态波峰峰值QAn，通过接收信号波峰序列位置判定方法中的函数f计算获得的值来确定n-1个数值范围，记作波峰归属区域。
动态时，动态超声波接收信号到达之前，MCU通过Line1(通讯线1)向TCP(计时芯片)发送控制命令，命令TCP连续读取EN-STOP(允许停止计时信号)之后连续三个STOP(停止计时信号)的时间值。MCU通过DAC(MCU的数字信号转模拟信号模块)输出如图3中所示的阈值电压信号。动态超声波接收信号到达后，动态超声波接收信号经过PHC后形成如图3所示的峰值保持电路输出信号。动态超声波接收信号与GND(零电压)进行比较，CP1(比较器1)输出STOP。动态超声波接收信号首次达到阈值电压信号时，CP2(比较器2)输出一个正脉冲信号，经过RSFF(RS触发器)后形成EN-STOP，如图3中t1时刻所示。MCU接收到EN-STOP信号之后通过ADC对峰值保持电路输出信号进行采样，从小到大直至最大依次获取动态超声波接收信号的各个波峰幅值，计算出接收信号波峰序列位置判定标识，根据接收信号波峰序列位置判定方法，确定首次达到阈值电压的接收信号波峰序列位置。TCP接收到EN-STOP信号之后，开始读取t2、t3、t4时刻STOP的时间值。随后，TCP通过Line2(通讯线2)将三个时间值传给MCU，MCU根据传播时间值自适应算法从三个值中挑选一个时间值作为超声波接收信号传播时间值。
所述时间值自适应算法是是指根据首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置的情况不同，从获取到的时间值中选取相应的时间值作为超声波信号传播时间值。
实施例：
要求：(1)连续7个脉冲信号激励超声波传感器；(2)采用超声波接收信号的第五个正向过零点作为超声波接收信号传播时间值；(3)接收信号波峰序列位置判定方法中计算波峰序列位置判定标识时将所获得的正数第一个动态波峰幅值与倒数第一个动态波峰幅值进行相除；(4)接收信号波峰序列位置判定方法中的函数f(DAm，DAn)定义为为
首先，获取静态下的七个静态波峰幅值，表1所示为静态下得到的七个静态波峰幅值，由其确定的触发归属区域，以及判定首次触发阈值电压的波序列，触发归属区域的方法如下：将所得的静态波峰幅值从小到大依次与最大静态波峰幅值相除，可以得到七个比例系数bilii，i＝1、2、…、7。确定波峰归属区域的方法如下，第1个峰值归属范围为第i个(i＝2,3,4,5,6)峰值归属范围为第七个峰值归属范围为
表2所示为动态超声波接收信号达到阈值电压之后获得的六个从小到大直至最大动态超声波波峰幅值，以及由最大动态超声波波峰幅值确定出的波峰序列位置判定标识和所获得的三个时间值。由于波峰序列位置判定标识等于0.2840属于[0.21675，0.35875)范围内，因此可以判定此时是第2个波先到达阈值电压，相应的三个时间值分别为第三、第四、第五个超声波接收信号正向过零点时间值，则采用获得的第三个时间值，即454.9us作为此次超声波接收信号传播时间值。
表3所示为仅有五个动态超声波波峰幅值的情况，此时波峰序列位置判定标识等于0.4296属于[0.35875，0.5036)范围内，因此可以判定此时是第3个波先到达阈值电压，相应的三个时间值分别为第四、第五、第六个超声波接收信号正向过零点时间值，则采用获得的第二个时间值，即455.1us作为此次超声波接收信号传播时间值。
表4所示为仅有四个动态超声波波峰幅值的情况，此时波峰序列位置判定标识等于0.5710属于[0.5036，0.65055)范围内，因此可以判定此时是第4个波先到达阈值电压，相应的三个时间值分别为第五、第六、第七个超声波接收信号正向过零点时间值，则采用获得的第一个时间值，即450.0us作为此次超声波接收信号传播时间值。
通过上述分析，可以看到，即使首次达到阈值电压的超声波波峰位置不同，本发明仍可以正确获取超声波接收信号传播时间值，即本发明可以为低功耗超声波流量计提供一种在压力、温度、湿度、污渍或被测介质组分变化干扰因素存在情况下仍能获取正确的超声波信号传播时间值的方法。
表1：
第i个静态波峰幅值 静态波峰幅值(mV) 触发归属区域 判定第j个波首次达到阈值电压
1 201 [0.07085，0.21675) 1
2 405 [0.21675，0.35875) 2
3 598 [0.35875，0.5036) 3
4 810 [0.5036，0.65055) 4
5 1009 [0.65055，0.7897) 5
6 1199 [0.7897，0.92885) 6
7 1398 [0.92885,1] 7
表2：
表3：
表4；

Claims (4)

1.一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，其特征在于：通过基于阈值比较法和峰值采样原理的超声波流量计接收信号波峰序列位置判定方法，获得超声波接收信号波峰幅值大于阈值电压的波峰位置信息，同时利用计时芯片获取超声波接收信号首次达到阈值电压之后的三个及以上的超声波接收信号过零点时间值，根据所述波峰位置信息，利用传播时间值自适应算法，从获取的所述超声波接收信号过零点时间值中选取其中一个作为超声波接收信号传播时间值，实现在温度、压力、湿度、污渍或被测介质组分干扰因素变化的情况下，对超声波接收信号传播时间值的准确测量，提高超声波流量计的抗干扰能力，提高时差式超声波流量计的测量上限，拓宽时差式超声波流量计的量程比。
2.根据权利要求1所述的一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，其特征在于：所述阈值比较法是指将超声波接收信号与一个电压信号进行大小比较，当超声波接收信号首次大于电压信号时输出一个正脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，其特征在于：所述超声波接收信号波峰序列位置判定方法是指通过分析时差式超声波流量计静态下与动态下获得的超声波接收信号幅值关系，确定首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置。
4.根据权利要求1所述的一种提高时差式超声波流量计抗干扰能力的时间检测方法，其特征在于：所述传播时间值自适应算法是指根据首次达到阈值电压的超声波波峰在超声波接收信号中的序列位置的情况不同，从获取到的时间值中选取相应的时间值作为超声波信号传播时间值。
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