CN109029598B - 一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法。针对管道中气体流速较高时使用传统参考波形会使渡越时间计算值出现5μs分层问题，本发明提出了一种参考波形选取的改进方法。本发明将平均波形的主包络倒数第4个波峰前的过零点作为起始点，次包络第4个波峰后的过零点作为截止点，将起始点和截止点之间的波形确定为标准波形，在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，将此标准波形补零后的信号波形确定为参考波形。本发明解决了渡越时间计算值分层问题，提高了气体超声波流量计的测量精度和重复性。
Description
技术领域
本发明属于超声波流量检测技术领域，特别涉及一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法。
背景技术
互相关时差法气体超声波流量计的基本原理是：如图1所示，上游换能器发射超声波信号，下游换能器接收超声波信号，测出超声波信号从上游换能器到下游换能器的传播时间为顺流渡越时间；下游换能器发射超声波信号，上游换能器接收超声波信号，测出超声波信号从下游换能器到上游换能器的传播时间为逆流渡越时间。通过测量超声波顺、逆流的渡越时间可计算流体流速。顺、逆流渡越时间是通过互相关算法计算得出，互相关法计算顺、逆流渡越时间的原理是将接收信号的采样波形与静态下的参考波形进行互相关运算，得到的互相关函数幅值最大点对应的横坐标即渡越时间。
采用传统参考波形(如图2(a))与接收波形(如图2(b))进行互相关计算，得到的互相关函数(如图2(c))幅值最大点与次大点的差值非常接近(图2(c)中最大值为22.38，次大值为22.23)。当管道中气体流速较高时，气体流动对接收信号的干扰增加，导致互相关函数幅值最大值点和次大值点的位置交替变化，导致渡越时间计算值出现5μs的分层问题(超声探头的工作频率是200kHz，5μs刚好对应一个周期)，这对渡越时间乃至流量计算的精度以及重复性造成巨大影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，能够解决渡越时间测量值出现5μs分层问题，提高互相关时差法气体超声波流量计的测量精度和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，方法包括以下步骤：
1)在管道中气体静止时(管道中气体流速为0m/s)，用互相关法气体超声波流量计采集N组顺流超声波信号和N组逆流超声波信号；
2)将采集到的2N组超声波信号在幅值上求平均，得到一个平均波形；
3)将平均波形的主包络倒数第4个波峰前的过零点作为起始点，次包络第4个波峰后的过零点作为截止点，将起始点和截止点之间的波形确定为标准波形；其中，主包络与次包络交界处的确定方法为：定义接收波形的第一包络为主包络，第二包络为次包络，主包络和次包络的结合处存在明显的相位翻转，以该结合处为基准确定标准波形；
4)在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，将此标准波形补零后的信号波形确定为参考波形。
进一步地，所述步骤1)中，用互相关法气体超声波流量计采集4组顺流超声波信号和4组逆流超声波信号。
进一步地，所述步骤3)中，在示波器上观察或通过超声波流量计的信号采集功能观察接收波形，可以看到接收信号存在2-3个包络，定义第一包络为主包络，第二包络为次包络。
进一步地，所述步骤4)中，在离散互相关运算中，两个信号采样点数必须相同，因此在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，以便进行离散互相关运算。
进一步地，渡越时间的计算公式为：
x(k)是参考波形的第k个采样点，y(k+τ)是流量计工作时采集到的顺流超声波信号或逆流超声波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关计算结果，τ是互相关计算结果中幅值最大点对应的横坐标，对τ进行转化，得到当前流速下超声波的顺流渡越时间或逆流渡越时间。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明提出了一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，选取主次包络结合处的波形作为参考波形，增大了参考波形的频带宽度，使得互相关运算后互相关系数的最大值与次大值的差值增大，有效地解决了渡越时间计算值出现5μs分层问题，并提高了气体超声波流量计的测量精度和重复性。
附图说明
图1为时差法气体超声波流量计的测量原理图；
图2(a)为渡越时间计算中的参考波形，图2(b)为接收波形，图2(c)为互相关函数；
图3为静态超声波信号；
图4为8个顺流和逆流超声波信号的平均波形；
图5为主次包络交界处确定；
图6为标准波形；
图7为参考波形；
图8为采用新的参考波形后的互相关函数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，方法包括以下步骤：
1)在管道中气体静止时(管道中气体流速为0m/s)，用采样频率为6MHz的DSP采集N组顺流超声波信号和N组逆流超声波信号；本实施例中，采集4组顺流超声波信号和4组逆流超声波信号，N取4时，渡越时间计算值的标准差为实验最低值；
2)将采集到的2N组超声波信号在幅值上求平均，得到一个平均波形；
3)将平均波形的主包络倒数第4个波峰前的过零点作为起始点，次包络第4个波峰后的过零点作为截止点，将起始点和截止点之间的波形确定为标准波形；其中，主包络与次包络交界处的确定方法为：在示波器上观察或通过超声波流量计的信号采集功能观察接收波形，可以看到接收信号存在2-3个包络，定义接收波形的第一包络为主包络，第二包络为次包络，主包络和次包络的结合处存在明显的相位翻转，即在相位翻转点之前的包络为主包络，相位翻转点之后的包络为次包络，以该结合处为基准确定标准波形；
4)在离散互相关运算中，两个信号采样点数必须相同，因此在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，将此标准波形补零后的信号波形确定为参考波形；
将参考波形与DSP采集的顺、逆流接收波形做互相关运算得到顺、逆流渡越时间，进而计算出气体流量。渡越时间的计算公式为：
x(k)是参考波形的第k个采样点，y(k+τ)是流量计工作时采集到的顺流超声波信号或逆流超声波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关计算结果，τ是互相关计算结果中幅值最大点对应的横坐标，对τ进行转化，得到当前流速下超声波的顺流渡越时间或逆流渡越时间。
图3是静态时采集的超声波信号。由于静态下顺流逆流超声波信号相似，此处以图3统一表示。
图4为8个顺流和逆流超声波信号的平均波形。将得到的8个超声波信号在幅值上求平均，得到的即是平均波形。
图5为主次包络交界处确定。该交界处是第一包络与第二包络波形的相位翻转点；在相位翻转点之前的包络为主包络，相位翻转点之后的包络为次包络。
图6为标准波形。在相位翻转点之前的包络为主包络，相位翻转点之后的包络为次包络；以主包络倒数第4个波峰前的过零点作为起始点，次包络第4个波峰后的过零点为截止点；将起始点和截止点之间的波形确定为标准波形。
图7为做互相关运算的参考波形。在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同。
图8为采用新的参考波形后的互相关函数，采用新的参考波形，互相关函数的最大值与次大值区分明显，有效地消除了渡越时间计算值的5μs分层问题，提高了渡越时间和流量测量的精度和重复性。
表1(a)为3包络参考波形渡越时间差计算值以及理论值，表1(b)为单包络参考波形渡越时间差计算值以及理论值，表1(c)为主次包络结合处参考波形渡越时间差计算值以及理论值。选用主次包络结合处波形作为参考波形可以消除渡越时间计算值的5μs分层问题，提高了渡越时间和流量测量的精度和重复性。
表1(a)3包络参考波形渡越时间差计算值以及理论值
表1(b)单包络参考波形渡越时间差计算值以及理论值
表1(c)主次包络结合处参考波形渡越时间差计算值以及理论值
Claims (5)
1.一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)在管道中气体静止时，用互相关法气体超声波流量计采集N组顺流超声波信号和N组逆流超声波信号；
2)将采集到的2N组超声波信号在幅值上求平均，得到一个平均波形；
3)将平均波形的主包络倒数第4个波峰前的过零点作为起始点，次包络第4个波峰后的过零点作为截止点，将起始点和截止点之间的波形确定为标准波形；其中，主包络与次包络交界处的确定方法为：定义接收波形的第一包络为主包络，第二包络为次包络，主包络和次包络的结合处存在明显的相位翻转，以该结合处为基准确定标准波形；
4)在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，将此标准波形补零后的信号波形确定为参考波形。
2.根据权利要求1所述的一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，其特征在于，所述步骤1)中，用互相关法气体超声波流量计采集4组顺流超声波信号和4组逆流超声波信号。
3.根据权利要求1所述的一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，其特征在于，所述步骤3)中，在示波器上观察或通过超声波流量计的信号采集功能观察接收波形，可以看到接收信号存在2-3个包络，定义第一包络为主包络，第二包络为次包络。
4.根据权利要求1所述的一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，其特征在于，所述步骤4)中，在离散互相关运算中，两个信号采样点数必须相同，因此在标准波形后端补零，使得补零后的信号点数与超声波流量计工作时采集信号采样点数相同，以便进行离散互相关运算。
5.根据权利要求1所述的一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法，其特征在于，渡越时间的计算公式为：
x(k)是参考波形的第k个采样点，y(k+τ)是流量计工作时采集到的顺流超声波信号或逆流超声波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关计算结果，τ是互相关计算结果中幅值最大点对应的横坐标，对τ进行转化，得到当前流速下超声波的顺流渡越时间或逆流渡越时间。
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