CN108801373B - 基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，其解决了现有膜式燃气表计量装置无法进行实时监测，计量误差大的技术问题，其通过检测膜式燃气表出气口的周期波动信号，进而将周期数与膜式燃气表固定容积相乘得出气体流量；本发明广泛用于燃气计量技术领域。

Description

基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量 方法

技术领域

本发明涉及燃气计量技术领域，具体而言，涉及一种基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法。

背景技术

目前，膜式燃气表在使用时，需要工作人员入户进行人工手动抄表，IC卡式膜式燃气表无法做到用户燃气使用状态、流量的实时监测。在冬季与夏季工况下，膜式燃气表依然采用体积计量的方式，该计量方法对燃气公司以及用户均产生由计量误差带来的损失，且无法通过气态方程进行温压修正。对于燃气流量过流、未关火、长期未使用等危险状态，传统膜式燃气表计量终端无法实现实时监测。

发明内容

本发明就是为了解决现有膜式燃气表计量装置无法进行实时监测，计量误差大的技术问题，提供了一种能够进行实时监测，计量误差小的基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法。

本发明提供的基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过气体压力传感器检测膜式燃气表出气口的气体绝对压力，并将气体压力数据发送给控制器；

步骤2，控制器判断气体压力信号是否发生跳变，如果发生跳变，则进入步骤3，否则跳转至步骤1；

步骤3，控制器将接收到的气体压力数值存储至数组A中，通过三次15点smooth中值滤波拟合管网压力波形基线；

步骤4，将原始气体压力信号减去拟合管网压力波形得到滤除管网波动后的信号；

步骤5，提取去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点，计算峰谷值点分布平均间隔P，P值为流速区间预测值；

步骤6，当P<15或P>75时，则判定为流速存在过快或过慢情况，进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，采用三次50点smooth中值滤波拟合基线，跳转至步骤4；

步骤8，对去除管网波动后的信号进行积分；

步骤9，流速区间预测值P作为步长，采用Smooth中值平滑滤波方式对步骤8产生的积分信号进行N次步长为P的平滑滤波，并计算滤波后峰谷点个数M(n)；

步骤10，当M(n)＝M(n-1)时，进入步骤11，否则跳转至步骤8；

步骤11，统计计算信号峰值点间距D1至Dn，并存储在数组D中，定义max(D)为间距D1至Dn中的最大值，定义min(D)为间距D1至Dn中的最小值，如果(max(D)-min(D))/min(D)≤0.3，则跳转至步骤9，如果(max(D)-min(D))/min(D)>0.3时进入步骤12；

步骤12，设Dsum为周期个数，Dsum的初始值是0，Dx为D1至Dn的任意一个，计算出D1至Dn的平均值Dmin，如果Dx＞1.75×Dmin则Dsum加2，如果Dx＞0.75×Dmin且D_X≤1.75×D_min则Dsum加1，如果Dx＞0.25×Dmin且D_X≤0.75×D_min则Dsum加0.5，Dx从D1至Dn遍历一遍后，得到最终的周期个数Dsum，再乘以膜式燃气表固定容积H得出流量V，即V＝Dsum×H。

优选地，控制器将燃气用量V数据发送至燃气公司无线/集中抄表终端。

本发明还提供一种基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过气体压力传感器检测膜式燃气表出气口的气体绝对压力，并将气体压力数据发送给控制器；

步骤2，控制器判断气体压力信号是否发生跳变，如果发生跳变，则进入步骤3，否则跳转至步骤1；

步骤3，控制器将接收到的气体压力数值存储至数组A中，通过smooth中值滤波拟合管网压力波形基线；

步骤4，将原始气体压力信号减去拟合管网压力波形得到滤除管网波动后的信号；

步骤5，提取去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点，计算峰谷值点分布平均间隔P，P值为流速区间预测值；

步骤6，当P<15或P>75时，则判定为流速存在过快或过慢情况，进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，采用smooth中值滤波拟合基线，跳转至步骤4；

步骤8，对去除管网波动后的信号进行积分；

步骤9，流速区间预测值P作为步长，采用Smooth中值平滑滤波方式对步骤8产生的积分信号进行N次步长为P的平滑滤波，并计算滤波后峰谷点个数M(n)；

步骤10，当M(n)＝M(n-1)时，进入步骤11，否则跳转至步骤8；

步骤11，统计计算信号峰值点间距D1至Dn，并存储在数组D中，定义max(D)为间距D1至Dn中的最大值，定义min(D)为间距D1至Dn中的最小值，如果(max(D)-min(D))/min(D)≤0.3，则跳转至步骤9，如果(max(D)-min(D))/min(D)>0.3时进入步骤12；

步骤12，设Dsum为周期个数，Dsum的初始值是0，Dx为D1至Dn的任意一个，计算出D1至Dn的平均值Dmin，如果Dx＞1.75×Dmin则Dsum加2，如果Dx＞0.75×Dmin且D_X≤1.75×D_min则Dsum加1，如果Dx＞0.25×Dmin且D_X≤0.75×D_min则Dsum加0.5，Dx从D1至Dn遍历一遍后，得到最终的周期个数Dsum，再乘以膜式燃气表固定容积H得出流量V，即V＝Dsum×H。

本发明的有益效果是：提供数字化计量装置及方法，通过信号提取实现流量间接计量。可作为用户旧表改造解决方案，只需将计量装置安装在现有膜式燃气表的后端(不必对膜式燃气表本身进行改造)，从而代替人工抄表方式。有效地实现用户燃气使用状态的实时监测与流量计量，测量精度高，误差小，具有提高燃气产业经济效益、提高用户燃气使用安全性等优点。具有温压修正功能。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是阀体的结构示意图；

图2是计量装置的原理框图；

图3是TMS320F28335型数字信号处理器的电路原理图；

图4是英飞凌DPS310传感器的示意图；

图5是计量方法的流程图；

图6是数组A中气体压力数据的波形图；

图7是图6中的波形经过去除管网波动后的波形图；

图8是去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点流速区间预测标记点图；

图9是对去除管网波动后的信号进行积分后的数据图；

图10是气体流速检测模块的电路图；

图11是阀体与膜式燃气表、燃气灶的连接示意图；

图12是气体压力传感器、气体流速检测模块在阀体中通道的位置示意图；

图13是遍历过程流程图。

图中符号说明：

1.阀门螺杆，2.阀门螺套，3.活塞，4.O型密封圈，5.传感器连接部，6.主体部，7.传感器支架，8.O型密封圈，9.膜式燃气表，10.燃气灶，11.天然气管道，12.阀体，12-1.气体进口部，12-2.气体出口部，13.软管，14.电路板的PCB；

20.DSP控制器，30.气体压力传感器，40.气体流速检测模块，50.电源模块，60.无线通信模块，70.显示模块。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，阀体包括连接在一起的传感器连接部5和主体部6，传感器连接部5和主体部6的连接处通过O型密封圈4进行密封。传感器支架7与传感器连接部5连接，传感器支架7与传感器连接部5的连接处通过O型密封圈8密封。主体部6上连接有活塞3，阀门螺套2与主体部6连接，阀门螺杆1与阀门螺套2连接。阀门螺杆1连接有手柄。

如图11所示，阀体12表示图1所示的阀体，膜式燃气表9的入口通过管道与天然气管道11连接，膜式燃气表9的出口通过管道与阀体12中主体部6的气体进口部12-1连接，阀体12中传感器连接部5的气体出口部12-2通过软管13与燃气灶10连接。

如图2所示，计量装置包括DSP控制器20、气体压力传感器30、气体流速检测模块40、电源模块50、无线通信模块60和显示模块70，气体压力传感器30的信号输出端与DSP控制器20的ADC接口连接，气体流速检测模块40的信号输出端与DSP控制器20的ADC接口连接，显示模块70与DSP控制器20连接，无线通信模块60与DSP控制器20连接，电源模块50用于向气体压力传感器30、气体流速检测模块40、无线通信模块60、显示模块70等等用电单元供电。显示模块70用于显示DSP控制器20的计算结果，提供人机交互界面。无线通信模块60用于将DSP控制器20中的数据发出到燃气公司无线/集中抄表终端等等其他设备上。DSP控制器20、气体压力传感器30、气体流速检测模块40、电源模块50、无线通信模块60和显示模块70连接于电路板上，该电路板连接于传感器支架7上。

DSP控制器20可以选用TI公司的TMS320F28335型数字信号处理器，如图3所示，该芯片的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，12位16通道ADC，I2C通信接口等。

气体流速检测模块40用于检测气体的流速。

气体压力传感器30可以选用英飞凌DPS310传感器，该传感器是一款基于MEMS技术的低功率数字式气体压力传感器，具有超高分辨率。基于电容式感测原理，DPS310在很大的温度变化范围内也能实现精稳定的气体压力测量。如图4所示，英飞凌DPS310传感器的两个GND引脚接地，VDD引脚和VDDIO引脚接电源VCC，SLK引脚接时钟信号，信号输出端SDI引脚与TMS320F28335型数字信号处理器的SDAA引脚(或其他信号接收引脚)连接。气体压力传感器30检测膜式燃气表出气口气体绝对压力，并通过I²C通信协议将压力数值上传至TMS320F28335型数字信号处理器的I²C接口。

如图4和10所示，气体流速检测模块40包括第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2、LM324运算放大器、第一电阻R1；第一热敏电阻RT1的一端接地，另一端通过电阻R26与LM324运算放大器的第3引脚连接；第二热敏电阻RT2的一端接地，另一端与通过电阻R27与LM324运算放大器的第5引脚连接；场效应管Q1的G极通过第二电阻R2与TMS320F28335型数字信号处理器的GPIO53引脚连接。S极接电源VCC，D极通过第三电容C3接地，第一电阻R1与第三电容C3并联。LM324运算放大器的第2引脚与第1引脚连接，第6引脚与第7引脚连接，第1引脚与第13引脚通过第十电阻R10连接，第7引脚与第12引脚通过第十一电阻R11连接，第13引脚与第14引脚之间通过第十四电阻R14连接，第12引脚通过第十二电阻R12接地，第14引脚通过第十一电容C11接地，第14引脚作为气体流速信号输出端与TMS320F28335型数字信号处理器的ACDINA0引脚连接。电源VCC一路通过串联的第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8接地，另一路通过第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5接地，LM324运算放大器的第3引脚与第七电阻R7和第八电阻R8之间的节点连接，第四电阻R4和第五电阻R5之间的节点与LM324运算放大器的第5引脚连接。

第一热敏电阻RT1的阻值可以是10KΩ，第二热敏电阻RT2的阻值可以是10KΩ，第一电阻R1的阻值可以是82Ω。结合图12，气体流速检测模块40工作时，第一电阻R1有电流时会产生热量，即为热源，通过第一电阻R1产生热量，然后通过测试其两边的第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2的阻值差异(气体流动时，两个热敏电阻周围的温度就不一样了，所以阻值就不一样了)进而计算流速。

气体流动过程中会造成上下游电阻热量分布不均等，通过信号放大后实现流速测量。同时，可通过信号的阶跃跳变实现对火力转换点的识别。

如图12所示，箭头方向表示气体流经方向，焊接在电路板的PCB14上的气体压力传感器30、第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2、第一电阻R1，气体压力传感器30位于气流上游处，第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2和第一电阻R1位于气体压力传感器30的后方，第一电阻R1位于第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2之间。

温压修正功能主要是依靠英飞凌DPS310传感器。

如图5所示，由于膜式燃气表在工作时，其内部旋转阀机构周期性交替工作会造成膜式燃气表出气口压力值周期波动，因此，检测该周期波动信号，进而将周期数与膜式燃气表固定容积相乘得出气体流量，使用上述计量装置对膜式燃气表进行间接计量的具体方法如下：

步骤1，英飞凌DPS310传感器检测膜式燃气表出气口的气体绝对压力，并通过I²C通信协议将气体压力数据上传至DSP控制器20的I²C接口。

步骤2，DSP控制器20按照1秒采集6个点的采样率对压力信号进行采集，DSP控制器20判断气体压力信号是否发生500Pa以上下、上跳变(即相邻两个数据点的差大于等于500Pa)，即判断是否停火，如果发生跳变，则进入步骤3，否则跳转至步骤1。

步骤3，DSP控制器20将接收到的气体压力数值存储至数组A中，信号波形如图6所示；通过三次15点smooth中值滤波拟合管网压力波形基线。

步骤4，然后将原始气体压力信号减去拟合管网压力波形得到滤除管网波动后的信号，去除基线漂移后的压力信号如图7所示(即去除管网波动后的压力信号如图7所示)。

步骤5，提取去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点，计算峰谷值点分布平均间隔P，P值为流速区间预测值，流速区间预测标记点如图8所示。

步骤6，当P<15或P>75时，则判定为流速存在过快或过慢情况，进入步骤7，否则进入步骤8。

步骤7，针对性重新采用三次50点smooth中值滤波拟合基线，并在此基础上去除管网波动，跳转至步骤4。

步骤8，对去除管网波动后的信号进行积分。

步骤9，流速区间预测值P作为步长，采用Smooth中值平滑滤波方式对步骤8产生的积分信号进行N次步长为P的平滑滤波，并计算滤波后峰谷点个数M(n)。

步骤10，当M(n)＝M(n-1)时，也就是说直到N-1次和第N次提取的峰谷点个数接近时则认为计算收敛(收敛后的原始信号波形积分序列如图9所示)，进入步骤11，否则跳转至步骤8。

步骤11，统计计算信号峰值点间距D1至Dn，并存储在数组D中，定义max(D)为间距D1至Dn中的最大值，定义min(D)为间距D1至Dn中的最小值，如果(max(D)-min(D))/min(D)≤0.3，则跳转至步骤9，直到间距D1至Dn稳定在一定范围，即(max(D)-min(D))/min(D)>0.3时进入步骤12。

步骤12，设Dsum为周期个数，Dsum的初始值是0，Dx为D1至Dn的任意一个，计算出D1至Dn的平均值Dmin，如图13所示，如果Dx＞1.75×Dmin则Dsum加2，否则如果Dx＞0.75×Dmin则Dsum加1，否则如果Dx＞0.25×Dmin则Dsum加0.5，否则Dsum不变。Dx从D1至Dn遍历一遍后，得到最终的周期个数Dsum，再乘以膜式燃气表固定容积H得出流量V，即V＝Dsum×H。H可以是1.2L。

步骤13，DSP控制器20将燃气用量V数据发送至燃气公司无线/集中抄表终端。

步骤14，DSP控制器20判断气体压力信号是否发生700Pa以上向上跳变，即判断是否开火，如果发生跳变，则返回步骤1，否则跳转至步骤15。

步骤15，结束。

上述步骤9中，Smooth中值平滑滤波过程具体地可以通过编写的funIgSmooth函数程序来实现。步骤11中，计算信号峰值点间距D1至Dn的过程具体地可以通过编写的funDisTab函数程序来实现。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (3)

1.一种基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过气体压力传感器检测膜式燃气表出气口的气体绝对压力，并将气体压力数据发送给控制器；

步骤2，控制器判断气体压力信号是否发生跳变，如果发生跳变，则进入步骤3，否则跳转至步骤1；

步骤3，控制器将接收到的气体压力数值存储至数组A中，通过三次15点smooth中值滤波拟合管网压力波形基线；

步骤4，将原始气体压力信号减去拟合管网压力波形得到滤除管网波动后的信号；

步骤5，提取去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点，计算峰谷值点分布平均间隔P，P值为流速区间预测值；

步骤6，当P<15或P>75时，则判定为流速存在过快或过慢情况，进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，采用三次50点smooth中值滤波拟合基线，跳转至步骤4；

步骤8，对去除管网波动后的信号进行积分；

步骤9，流速区间预测值P作为步长，采用Smooth中值平滑滤波方式对步骤8产生的积分信号进行N次步长为P的平滑滤波，并计算滤波后峰谷点个数M(n)；

步骤10，当M(n)＝M(n-1)时，进入步骤11，否则跳转至步骤8；

步骤11，统计计算信号峰值点间距D1至Dn，并存储在数组D中，定义max(D)为间距D1至Dn中的最大值，定义min(D)为间距D1至Dn中的最小值，如果(max(D)-min(D))/min(D)≤0.3，则跳转至步骤9，如果(max(D)-min(D))/min(D)>0.3时进入步骤12；

步骤12，设Dsum为周期个数，Dsum的初始值是0，Dx为D1至Dn的任意一个，计算出D1至Dn的平均值Dmin，如果Dx＞1.75×Dmin则Dsum加2，如果Dx＞0.75×Dmin且D_X≤1.75×D_min则Dsum加1，如果Dx＞0.25×Dmin且D_X≤0.75×D_min则Dsum加0.5，Dx从D1至Dn遍历一遍后，得到最终的周期个数Dsum，再乘以膜式燃气表固定容积H得出流量V，即V＝Dsum×H。

2.根据权利要求1所述的基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，其特征在于：

控制器将燃气用量V数据发送至燃气公司无线/集中抄表终端。

3.一种基于气体压力波形积分周期提取算法的燃气流量间接计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过气体压力传感器检测膜式燃气表出气口的气体绝对压力，并将气体压力数据发送给控制器；

步骤2，控制器判断气体压力信号是否发生跳变，如果发生跳变，则进入步骤3，否则跳转至步骤1；

步骤3，控制器将接收到的气体压力数值存储至数组A中，通过smooth中值滤波拟合管网压力波形基线；

步骤4，将原始气体压力信号减去拟合管网压力波形得到滤除管网波动后的信号；

步骤5，提取去除管网波动后的压力信号波形中正、负5Pa范围外的峰谷点，计算峰谷值点分布平均间隔P，P值为流速区间预测值；

步骤6，当P<15或P>75时，则判定为流速存在过快或过慢情况，进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，采用smooth中值滤波拟合基线，跳转至步骤4；

步骤8，对去除管网波动后的信号进行积分；

步骤9，流速区间预测值P作为步长，采用Smooth中值平滑滤波方式对步骤8产生的积分信号进行N次步长为P的平滑滤波，并计算滤波后峰谷点个数M(n)；

步骤10，当M(n)＝M(n-1)时，进入步骤11，否则跳转至步骤8；

步骤11，统计计算信号峰值点间距D1至Dn，并存储在数组D中，定义max(D)为间距D1至Dn中的最大值，定义min(D)为间距D1至Dn中的最小值，如果(max(D)-min(D))/min(D)≤0.3，则跳转至步骤9，如果(max(D)-min(D))/min(D)>0.3时进入步骤12；

步骤12，设Dsum为周期个数，Dsum的初始值是0，Dx为D1至Dn的任意一个，计算出D1至Dn的平均值Dmin，如果Dx＞1.75×Dmin则Dsum加2，如果Dx＞0.75×Dmin且D_X≤1.75×D_min则Dsum加1，如果Dx＞0.25×Dmin且D_X≤0.75×D_min则Dsum加0.5，Dx从D1至Dn遍历一遍后，得到最终的周期个数Dsum，再乘以膜式燃气表固定容积H得出流量V，即V＝Dsum×H。