CN109708729A - 超声波仪表计量信号自动增益调整方法及超声波燃气表 - Google Patents

超声波仪表计量信号自动增益调整方法及超声波燃气表 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及超声波仪表计量信号自动增益调整方法及超声波燃气表，该方法包括以下步骤：S1：激励上游超声波换能器、下游超声波换能器工作，接收得到超声波信号；S2：设定比较电平值v，计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a；S3：计算各时间宽度ti与时间差值a的比值ki；S4：根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值。本发明根据0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a，实现自动增益调整，从而实现对不同被测介质进行流量测量。

Description

超声波仪表计量信号自动增益调整方法及超声波燃气表
技术领域
本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及超声波仪表计量信号自动增益调整方法及超声波燃气表。
背景技术
目前，超声波燃气表作为一种电子式仪表已经广泛应用在天然气计量中。超声波燃气表主要是根据超声波在流体中顺流传播时间与逆流传播时间计算得出流体的流速。因此超声波在流体中传播时间测量的准确性是影响超声波燃气表计量准确度的主要因素。
一些超声波燃气表在信号处理过程中，没有使用增益控制电路，就直接进行检波和计算。当回波信号幅值很小时，检波电路无法检测到，导致控制器单元最终得不到接收信号，最终导致仪表测量失败；当回波信号幅值较大时，控制器单元得到已经饱和的接收信号，致使信号失真，最终导致仪表测量精度超出要求。还有一些超声波燃气表虽然设有增益控制电路，但是其设定的增益值固定。所以这类超声波燃气表只能针对一种被测介质进行流量的测量而不适用于其他被测介质。同时这类超声波燃气表需要校准时，由于其增益值固定，所以只能在天然气环境中下进行校准，校准工作存在较大的风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出在不同被测介质下的超声波仪表计量信号自动增益调整方法及自动增益调整的超声波燃气表。
超声波仪表计量信号自动增益调整方法，包括以下步骤：
S1：激励上游超声波换能器、下游超声波换能器工作，接收得到超声波信号；
S2：设定比较电平值v，计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a；
S3：计算各时间宽度ti与时间差值a的比值ki；
S4：根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值。
优选的，所述根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值包括：
计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功。
超声波燃气表，包括：
分别设于流道上游、下游的上游超声波换能器、下游超声波换能器，所述上游超声波换能器和下游超声波换能器用于发送或接收超声波信号；
信号激励电路，用于发射与上游超声波换能器或下游超声波换能器谐振频率相匹配的激励信号；
比较电平值控制电路，用于设定比较电平值v；
时间检测电路，用于对接收超声波信号进行处理：计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti、超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a以及超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间；
增益控制电路，用于根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值；
控制器单元，用于控制信号激励电路发射激励信号、控制比较电平值控制电路设定比较电平值v以及根据超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间计算得到燃气流量。
优选的，所述根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值包括：计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功
优选的，所述比较电平值控制电路根据激励信号的强度设定比较电平值v。
优选的，若相邻两次计算得到的超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间差值大于设定阈值，则通过比较电平值控制电路、时间检测电路、增益控制电路、控制器单元重新调整增益值。
通过使用本发明，可以实现以下效果：
1.根据0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a，实现自动增益调整，从而实现对不同被测介质进行流量测量；
2.本发明所提供的方法使超声波燃气表在空气环境下校准后就能保证在天然气下的计量准确度要求，无需在天然气环境下进行校准，则避免天然气带来的危险。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的整体流程示意图；
图2是本发明实施例中的超声波波形图；
图3是本发明实施例中的各时间宽度ti与时间差值a的比值ki与时间t的关系图；
图4是本发明实施例的整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明的基本思想是根据0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a，实现自动增益调整，从而实现对不同被测介质进行流量测量。
如图1所示，一种超声波仪表计量信号自动增益调整方法，包括以下步骤：
S1：激励上游超声波换能器、下游超声波换能器工作，接收得到超声波信号；
上游超声波换能器和下游超声波换能器在接收到激励信号时，会产生稳定的超声波信号。当其中一个为超声波信号发送端时，另一个为超声波信号接收端。
S2：设定比较电平值v，计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a；
结合图2可以看出，电平线从小变大的过程中依次与波形的正半部分相交，在一个超声波波形内，时间宽度ti逐渐变小，当电平线离开第一个波形进入下一个超声波波形时，时间宽度ti瞬间变大然后又逐渐减小，依次循环直到波峰不再随着时间的推移而升高。而因为超声波燃气表使用的换能器激励频率不变，因此时间差值a保持不变。
S3：计算各时间宽度ti与时间差值a的比值ki；
由步骤S2可知，在一个超声波波形内，随着电平值的增大，时间宽度ti与时间差值a的比值ki变小。如图3所示，在前几个波峰逐渐增大的超声波波形中，得到的比值ki进入“大-小-大-小……”的循环。
S4：根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值。
具体的，计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功。
当不止一个比值ki大于1时，如图3中的AC段，则说明在比较电平值v所对应的电平线的下方有不止一个完整的超声波波形，在这种情况下通过零点检测算法计算超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间时，容易测到上一个超声波波形或下一个超声波波形的零点，而不是同一个超声波波形的零点，从而导致飞行时间的计算不准确。
在初始的时候设置增益值为最小值，在不满足只有一个比值ki大于1的情况下逐渐提高增益值。随着增益值的提高，超声波波形的放大，在比较电平值v所对应的电平线下方的完整的超声波波形数量减少。当只有一个比值ki大于1时，如图3中的AB段，也就是对应只有在比较电平值v所对应的电平线的下方只有一个完整的超声波波形时，在这种情况下通过零点检测算法就能够很好的检测到同一个超声波波形的零点，从而能够准确的计算飞行时间，最终计算的被测介质的流量才能准确。
通过上述步骤S1-S4实现对增益值的自动调整，使得超声波燃气表在空气环境下校准后就能保证在天然气下的计量准确度要求，无需在天然气环境下进行校准，则避免天然气带来的危险。
如图4所述，本实施例还提供了一种自动增益调整的超声波燃气表，包括：分别设于流道上游、下游的上游超声波换能器、下游超声波换能器，还包括信号激励电路、比较电平值控制电路、时间检测电路、增益控制电路以及控制器单元。
其中，上游超声波换能器和下游超声波换能器用于发送或接收超声波信号。当上游超声波换能器向下游超声波换能器发送超声波信号时，为顺流传播；当下游超声波换能器向上游超声波换能器发送超声波信号时，为逆流传播。
信号激励电路，用于发射与上游超声波换能器或下游超声波换能器谐振频率相匹配的激励信号。
比较电平值控制电路，用于设定比较电平值v。比较电平值控制电路根据激励信号的强度设定比较电平值v。当激励信号的强度较大时，相应的比较电平值v也较高，避免第一个超声波波形的波峰值就大于比较电平值v，从而无法对增益值进行自动调整。相反，当激励信号的强度较小时，相应的比较电平值v也较低，避免比较电平值v所对应的电平线下方的超声波波形过多，从而导致增益值的调整不在其调整阈值范围内。
时间检测电路，用于对接收超声波信号进行处理。具体的，计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti、超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a以及超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间。在本实施例中，通过零点检测算法计算飞行时间。零点检测算法计算飞行时间为现有技术，在本实施例中不再详细说明。
增益控制电路，用于根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值。具体的，计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功。
控制器单元，用于控制信号激励电路发射激励信号、控制比较电平值控制电路设定比较电平值v以及根据超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间计算得到燃气流量。在得到飞行时间后，根据上游超声波换能器和下游超声波换能器质检的距离以及流道的参数计算就能得到天然气的流量。
本发明超声波燃气表在实际运行过程中，每次上电都会进行一次自动增益调整。当相邻两次计算得到的超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间差值大于设定阈值时，也会触发自动增益调整。当飞行时间差值大于设定阈值则说明这两次的被测介质是不同的，因此需要通过比较电平值控制电路、时间检测电路、增益控制电路、控制器单元重新调整增益值。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.超声波仪表计量信号自动增益调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：激励上游超声波换能器、下游超声波换能器工作，接收得到超声波信号；
S2：设定比较电平值v，计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti以及超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a；
S3：计算各时间宽度ti与时间差值a的比值ki；
S4：根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值。
2.根据权利要求1所述的超声波仪表计量信号自动增益调整方法，其特征在于，所述根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值包括：
计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功。
3.超声波燃气表，其特征在于，包括：
分别设于流道上游、下游的上游超声波换能器、下游超声波换能器，所述上游超声波换能器和下游超声波换能器用于发送或接收超声波信号；
信号激励电路，用于发射与上游超声波换能器或下游超声波换能器谐振频率相匹配的激励信号；
比较电平值控制电路，用于设定比较电平值v；
时间检测电路，用于对接收超声波信号进行处理：计算得到0～v之间的电平值所对应的电平线第一次与超声波波形相交时的时间宽度ti、超声波波形的两个相邻零点之间的时间差值a以及超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间；
增益控制电路，用于根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值；
控制器单元，用于控制信号激励电路发射激励信号、控制比较电平值控制电路设定比较电平值v以及根据超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间计算得到燃气流量。
4.根据权利要求3所述的超声波燃气表，其特征在于，所述根据各时间宽度ti与时间差值a的比值ki确定增益值包括：计算两个相邻的时间宽度ti与时间差值a的比值ki+1与ki的比值h，判断是否只有一个比值h大于1，若不是，则逐渐提高增益值；直到只有一个比值h大于1时，则增益调整成功。
5.根据权利要求3所述的超声波燃气表，其特征在于，所述比较电平值控制电路根据激励信号的强度设定比较电平值v。
6.根据权利要求3所述的超声波燃气表，其特征在于，若相邻两次计算得到的超声波信号在上游超声波换能器、下游超声波换能器之间的飞行时间差值大于设定阈值，则通过比较电平值控制电路、时间检测电路、增益控制电路、控制器单元重新调整增益值。
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