CN107084763B - 时差式超声波流量计信号处理系统 - Google Patents

时差式超声波流量计信号处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时差式超声波流量计信号处理系统。超声波流量测量的核心是超声波信号顺逆流传播时间的测量，具体是通过一个阈值截取超声波信号，并把截取到的超声波信号中脉冲的边沿时间点作为超声波信号到达的时间。本发明核心是，超声波信号送给计时单元进行传播时间测量的同时，将超声波信号送给脉冲信号分析单元。计时单元提供传播时间的高精度测量，脉冲信号分析单元提供超声波信号脉冲序列的特征参数的信息。通过两者的结合，可以保证在超声波信号受干扰发生变化的时候，依然能够得到较为可靠的测量结果。脉冲信号分析单元的使用，也能够为确定超声波信号幅值大小和阈值的关系提供依据，保证测量的正常进行，增加了测量的成功率。

Description

时差式超声波流量计信号处理系统
技术领域：
本发明涉及应用于超声波流量测量的超声波流量计信号处理系统，尤其是涉及应用于基于阈值比较法的时差式超声波流量计信号处理系统。
技术背景：
在超声波流量测量技术中，应用比较广泛的是时差式超声波流量测量技术。时差式超声波流量计的原理是根据超声波信号顺流传播时间Tu(i)和逆流传播时间Td(j)之差ΔT＝Tu(i)-Td(j)来计算流速，从而计算出流量。
目前，时差式超声波流量计流体中顺逆流超声波传播时间的一种测量方法是通过设定一个阈值来截取超声回波信号，并把截取到的回波信号边沿时间点，作为波形到达的时间点(傅新,毛凯,胡亮.基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，申请号：201210034029.2，申请日：2012.02.15)。这种方法较为简单，借助于高精度的计时芯片(如Maxim公司的MAX35101芯片，其计时精度可以达到20ps)，可以较为精确的测量出回波信号的边沿时间点。但是，这种方法对于超声波信号的质量有一定的要求。在实际测量过程中，由于复杂的外界环境会影响接收到的超声波信号，超声波接收信号幅值会发生波动，导致传播时间的测量产生误差或者测不到传播时间，其容易出现的具体情况包括以下3种：
(1)如果在波形之前的噪声较大，使得阈值首先截取到噪声，那么计时芯片就可能把截取到的噪声的边沿作为波形到达的时间点，造成测量错误。
(2)如果由于干扰，导致顺流和逆流的回波信号幅值产生较大差异，那么就会导致用同一阈值截取顺逆流回波时，超过阈值的波不是同一个周期波，而计时芯片误把两个截取到的波当做同一个周期波，导致测量误差。
(3)如果超声波接收信号变的过弱，最大幅值处在阈值以下时，就会导致阈值截取不到回波信号，造成测量失败。
针对上述问题，有发明中提到超声波在传播过程中频率保持不变的特性，使得其在固定的声程内，在相同环境的同一介质中其过零点始终不变，采用过零检测技术较阈值比较技术能获得更高的精度(傅新,毛凯,胡亮.基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，申请号：201210034029.2，申请日：2012.02.15)。但此方法在信噪比较低时，精度较差。因此有发明在此基础上，加入了AD采样技术，通过对回波信号AD采样，分辨出过零信号是噪声信号还是超声波信号，从而找到第一个过零点的超声波信号，这就增强了在信噪比较低的情况下的测量精度(朱浩，徐方明，闫丽等.一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法，申请号：201310256511.5，申请日：2013.06.25)。但是如果遇到噪声信号和超声波信号的频率特征较为接近时，此方法就会失效。
还有发明中提到，为了提高渡越时间测量的稳定性和抗干扰能力，可以通过相关法进行传播时间的测量，即借助于采样芯片，分别对顺逆流超声波信号进行AD采样，并将两个采样信号分别与在静态环境下选择的标准参考波进行互相关运算，得到的两个互相关函数幅值最大点对应的横坐标即是顺流和逆流的传播时间，从而得出顺逆流传播时间差(周洪亮，季涛.互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法，申请号：201610507506.0，申请日：2016.06.27)。这种方法是基于整个超声波，而不是超声波的某一个周期波，所以一定程度的波形畸变不会对渡越时间的测量产生很大影响，这在一定程度上提高了测量的稳定性和抗干扰能力。但是受AD采样芯片的采样速度限制，还需要通过插值法提高时间分辨率，这就导致了渡越时间测量的精度相对较低。
综上所述，现有的渡越时间测量技术都不能很好地兼顾精度、稳定性和抗干扰能力。
发明内容：
本发明的目的在于针对已有技术和不足提供一种时差式超声波流量计信号处理系统，具有自检功能和自我调节功能的超声波流量计信号处理功能，以提高测量的准确性和成功率。为达到上述目的，本发明的构思是：
换能A单元在时间TA所发超声脉冲P1经过距离L到达换能B单元，换能B单元输出由N1个脉冲组成的信号S1到计时单元；换能B单元在时间TB所发超声脉冲P2经过距离L到达换能A单元，换能A单元输出由N2个脉冲组成的信号S2到计时单元；
所述计时单元中，设定阈值M，当信号S1或S2中的脉冲超过阈值M后，就认为此脉冲是符合幅值变化的脉冲。
计时单元以TA为参考把信号S1的N1个脉冲中第i个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Tu(i)进行记录；计时单元以TB为参考把信号S2的N2个脉冲中第j个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Td(j)进行记录；
脉冲信号分析单元通过AD转换模块对信号S1和S2进行AD采样，并通过幅值变化特征分析模块对信号S1和S2中各个脉冲的幅值变化特征进行分析，依据幅值变化特征，选出N1中第i个符合幅值变化的脉冲和N2中第j个符合幅值变化的脉冲。
如果i＝j，脉冲信号分析单元中的数据处理模块利用计时单元传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值。
如果i-j＝R，则将用于流速计算的第j个脉冲调整为第j+R个脉冲，脉冲信号分析单元中的数据处理模块利用计时单元传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j+R)值来估计流速V值。
通过脉冲信号分析单元对信号S1和S2的自检，保证了测量结果的准确性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种时差式超声波流量计信号处理系统，包括一个超声换能A单元、一个超声换能B单元、一个计时单元和一个脉冲信号分析单元，其特征是：所述超声换能A单元和超声换能B单元相对成一直线安置在被测流道的两侧，该两个超声换能单元经流道的距离为L，设两个超声换能单元均连接计时单元和脉冲信号分析单元；超声换能A单元在时间TA所发超声脉冲P1经过距离L到达超声换能B单元，超声换能B单元输出由N1个脉冲组成的信号S1到计时单元；超声换能B单元在时间TB所发超声脉冲P2经过距离L到达超声换能A单元，超声换能A单元输出由N2个脉冲组成的信号S2到计时单元；计时单元以TA为参考把信号S1的N1个脉冲中第i个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Tu(i)进行记录；计时单元以TB为参考把信号S2的N2个脉冲中第j个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Td(j)进行记录；脉冲信号分析单元通过其中的AD转换模块和幅值变化特征分析模块对信号S1和信号S2进行AD转换和幅值变化特征分析，在N1和N2脉冲中选出符合i＝j的脉冲，并通过其中的数据处理模块利用计时单元传输过来的符合i＝j的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值。
所述的计时单元设定了阈值M，当信号S1或S2中的脉冲超过阈值M后，就认为此脉冲是符合幅值变化的脉冲。
所述脉冲信号分析单元通过其中的AD转换模块对信号S1和S2进行AD采样，并通过其中的幅值变化特征分析模块对信号S1和S2中各个脉冲的幅值变化特征进行分析，选出N1中第i个符合幅值变化的脉冲和N2中第j个符合幅值变化的脉冲，如果i＝j，则其中的数据处理模块直接利用计时单元传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值，如果i-j＝R，则将用于流速计算的第j个脉冲调整为第j+R个脉冲，数据处理模块利用计时单元传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j+R)值来估计流速V值。
所述脉冲信号分析单元通过AD转换模块和幅值变化特征分析模块分别对噪声信号Sn、信号S1和信号S2进行AD采样，分析噪声信号Sn、信号S1和信号S2波形特征，得到其信噪比，为确定噪声信号Sn、信号S1、信号S2的幅值大小和所述的计时单元中阈值M的关系提供依据，保证有足够多的符合幅值变化的脉冲的同时，不会把噪声信号误当作符合幅值变化的脉冲，从而保证Tu(i)和Td(j)的正常测量，增加测量的成功率。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
1，脉冲信号分析单元通过AD转换模块和幅值变化特征分析模块分别对噪声信号Sn、信号S1和信号S2进行AD采样，分析噪声信号Sn、信号S1和信号S2波形特征，得到其信噪比。
2，依据信噪比为确定噪声信号Sn、信号S1、信号S2的幅值大小和所述的计时单元中的阈值M的关系提供依据，保证有足够多的符合幅值变化的脉冲来进行Tu(i)和Td(j)的正常记录，并且保证不会由于噪声信号幅值过大和阈值M设定过低，导致计时单元把噪声信号误选为符合幅值变化的脉冲，产生i≠j的情况，从而保证测量的成功率。
附图说明
图1为时差式超声波流量计信号处理系统结构图。
图2为i＝j情况示意图。
图3为i≠j情况示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1～图3，本时差式超声波流量计信号处理系统，包括一个超声换能A单元1、一个超声换能B单元2、一个计时单元3和一个脉冲信号分析单元4，其特征是：所述超声换能A单元1和超声换能B单元2相对成一直线安置在被测流道的两侧，该两个超声换能单元1、2经流道的距离为L，设两个超声换能单元1、2均连接计时单元3和脉冲信号分析单元4；超声换能A单元1在时间TA所发超声脉冲P1经过距离L到达超声换能B单元2，超声换能B单元2输出由N1个脉冲组成的信号S1到计时单元3；超声换能B单元2在时间TB所发超声脉冲P2经过距离L到达超声换能A单元1，超声换能A单元1输出由N2个脉冲组成的信号S2到计时单元3；计时单元3以TA为参考把信号S1的N1个脉冲中第i个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Tu(i)进行记录；计时单元3以TB为参考把信号S2的N2个脉冲中第j个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Td(j)进行记录；脉冲信号分析单元4通过其中的AD转换模块4.1和幅值变化特征分析模块4.2对信号S1和信号S2进行AD转换和幅值变化特征分析，在N1和N2脉冲中选出符合i＝j的脉冲，并通过其中的数据处理模块4.3利用计时单元3传输过来的符合i＝j的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的计时单元3设定了阈值M，当信号S1或S2中的脉冲超过阈值M后，就认为此脉冲是符合幅值变化的脉冲。
所述脉冲信号分析单元4通过其中的AD转换模块4.1对信号S1和S2进行AD采样，并通过其中的幅值变化特征分析模块4.2对信号S1和S2中各个脉冲的幅值变化特征进行分析，选出N1中第i个符合幅值变化的脉冲和N2中第j个符合幅值变化的脉冲，如果i＝j，则其中的数据处理模块4.3直接利用计时单元3传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值，如果i-j＝R，则将用于流速计算的第j个脉冲调整为第j+R个脉冲，数据处理模块4.3利用计时单元3传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j+R)值来估计流速V值。
所述脉冲信号分析单元4通过AD转换模块4.1和幅值变化特征分析模块4.2分别对噪声信号Sn、信号S1和信号S2进行AD采样，分析噪声信号Sn、信号S1和信号S2波形特征，得到其信噪比，为确定噪声信号Sn、信号S1、信号S2的幅值大小和所述的计时单元3中阈值M的关系提供依据，保证有足够多的符合幅值变化的脉冲的同时，不会把噪声信号误当作符合幅值变化的脉冲，从而保证Tu(i)和Td(j)的正常测量，增加测量的成功率。
实施例三：参见图1～图3，本实施例采用的技术方案是：
1，换能A单元1在时间TA所发超声脉冲P1经过距离L到达换能B单元2，换能B单元2输出由N1个脉冲组成的信号S1到计时单元3；换能B单元2在时间TB所发超声脉冲P2经过距离L到达换能A单元1，换能A单元1输出由N2个脉冲组成的信号S2到计时单元3；
2，所述计时单元3中，设定阈值M，当信号S1或S2中的脉冲超过阈值M后，就认为此脉冲是符合幅值变化的脉冲。
3，计时单元3以TA为参考把信号S1的N1个脉冲中第i个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Tu(i)进行记录；计时单元以TB为参考把信号S2的N2个脉冲中第j个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Td(j)进行记录；
4，脉冲信号分析单元4通过AD转换模块4.1对信号S1和S2进行AD采样，并通过幅值变化特征分析模块4.2对信号S1和S2中各个脉冲的幅值变化特征进行分析，依据幅值变化特征，选出N1中第i个符合幅值变化的脉冲和N2中第j个符合幅值变化的脉冲。
5，如果i＝j，脉冲信号分析单元4中的数据处理模块4.3利用计时单元3传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值。
6，如果i-j＝R，则将用于流速计算的第j个脉冲调整为第j+R个脉冲，脉冲信号分析单元4中的数据处理模块4.3利用计时单元3传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j+R)值来估计流速V值。
7，通过脉冲信号分析单元4对信号S1和S2的自检，保证了测量结果的准确性。
本发明为提高测量的成功率所采用的技术方案是：
1，脉冲信号分析单元4通过AD转换模块4.1和幅值变化特征分析模块4.2分别对噪声信号Sn、信号S1和信号S2进行AD采样，分析噪声信号Sn、信号S1和信号S2波形特征，得到其信噪比。
依据信噪比为确定噪声信号Sn、信号S1、信号S2的幅值大小和所述的计时单元3中的阈值M的关系提供依据，保证有足够多的符合幅值变化的脉冲来进行Tu(i)和Td(j)的正常记录，并且保证不会由于噪声信号幅值过大和阈值M设定过低，导致计时单元把噪声信号误选为符合幅值变化的脉冲，产生i≠j的情况，从而保证测量的成功率。

Claims (3)

1.一种时差式超声波流量计信号处理系统，包括一个超声换能A单元(1)、一个超声换能B单元(2)、一个计时单元(3)和一个脉冲信号分析单元(4)，其特征是：
所述超声换能A单元(1)和超声换能B单元(2)相对成一直线安置在被测流道的两侧，该两个超声换能单元(1、2)经流道的距离为L，该两个超声换能单元(1、2)均连接计时单元(3)和脉冲信号分析单元(4)；
超声换能A单元(1)在时间TA所发超声脉冲P1经过距离L到达超声换能B单元(2)，超声换能B单元(2)输出由N1个脉冲组成的信号S1到计时单元(3)；
超声换能B单元(2)在时间TB所发超声脉冲P2经过距离L到达超声换能A单元(1)，超声换能A单元(1)输出由N2个脉冲组成的信号S2到计时单元(3)；
计时单元(3)以TA为参考把信号S1的N1个脉冲中第i个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Tu(i)进行记录；
计时单元(3)以TB为参考把信号S2的N2个脉冲中第j个符合幅值变化的脉冲的边沿时间点Td(j)进行记录；
脉冲信号分析单元(4)通过其中的AD转换模块(4.1)和幅值变化特征分析模块(4.2)对信号S1和信号S2进行AD转换和幅值变化特征分析，在N1和N2脉冲中选出符合i＝j的脉冲，并通过其中的数据处理模块(4.3)利用计时单元(3)传输过来的符合i＝j的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值；
所述脉冲信号分析单元(4)通过AD转换模块(4.1)和幅值变化特征分析模块(4.2)分别对噪声信号Sn、信号S1和信号S2进行AD采样，分析噪声信号Sn、信号S1和信号S2波形特征，得到其信噪比，为确定噪声信号Sn、信号S1、信号S2的幅值大小和所述的计时单元(3)中阈值M的关系提供依据，保证有足够多的符合幅值变化的脉冲的同时，不会把噪声信号误当作符合幅值变化的脉冲，从而保证Tu(i)和Td(j)的正常测量，增加测量的成功率。
2.根据权利要求1所述的一种时差式超声波流量计信号处理系统，其特征在于：所述的计时单元(3)设定了阈值M，当信号S1或S2中的脉冲超过阈值M后，就认为此脉冲是符合幅值变化的脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种时差式超声波流量计信号处理系统，其特征在于：所述脉冲信号分析单元(4)通过其中的AD转换模块(4.1)对信号S1和S2进行AD采样，并通过其中的幅值变化特征分析模块(4.2)对信号S1和S2中各个脉冲的幅值变化特征进行分析，选出N1中第i个符合幅值变化的脉冲和N2中第j个符合幅值变化的脉冲，如果i＝j，则其中的数据处理模块(4.3)直接利用计时单元(3)传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j)值来估计流速V值，如果i-j＝R，则将用于流速计算的第j个脉冲调整为第j+R个脉冲，数据处理模块(4.3)利用计时单元(3)传输过来的ΔT＝Tu(i)-Td(j+R)值来估计流速V值。
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