CN109931996A - 一种准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法，包括下列步骤：在产生发射信号时开始采集接收端信号并将其数字化；找出接收信号的基准电压：通过采集接收信号的一段基准电压并求平均值来作为信号的过零点值；对所有波峰值由大到小排序找出最大的几个峰值，对于这几个波峰值提取各个波峰对应的在整个采集点中的位置信息的值，并且对这几个峰值对应的位置信息i的值由小到大排序生成向量；准确找到作为判断接收信号到达时刻过零点的位置，得到信号到达时刻的特征点；计算信号最终的传播时间。

Description

一种准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域。

背景技术

超声流量计是通过检测流体流动对超声波传播影响以测量流量的速度式仪表，起源于上世纪30年代。超声流量计种类广泛，按照测量原理可以分为传播速度差法(时差法、频差法、相差法)、多普勒法、噪声法和波束偏移法等。时差法适用于几乎所有可以传播声波的流体，因此在整个流量计行业备受重视。准确识别超声接收信号的到达时刻，是时差法超声流量计研发中的重要问题。由于气体超声波流量计信号较弱，当管道内气体流速较大时，信号衰减较严重且波动较大，易受噪声影响，因此很难做到精准测量。

目前时差法超声流量计的设计方案主要有模拟方案和数字方案两种。模拟方案采用模拟式的超声信号处理技术，只需要通过简单的阈值比较、计时得出超声顺逆流传播时间及其时间差即可完成流量测量工作，其中大部分流量计采用双阈值触发法，配合高精度计时芯片实现对传播时间的精确测量。但测量过程中温度等的影响使接收信号包络形状发生变化，导致中大流速测量时接收信号的触发电平错波现象严重，测量结果误差较大。数字方案主要对采集到的接收信号进行处理和分析，通过算法等措施计算信号的传播时间。数字方案能有效识别干扰信号及波形抖动，测量准确度高，纠错及抗干扰能力强，即使在极为严苛的工况下也能提供精确可靠的测量结果。

发明内容

本发明提供一种基于数字信号处理的准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法，将其命名为特征峰值提取法,该方法通过采集不同流速下的接收信号，找出顺逆流接收信号较大几个峰值的相对位置，以此为基础进行算法处理，最终准确识别信号到达时刻的特征点。技术方案如下：

一种准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法，包括下列步骤：

步骤一：在产生发射信号时开始采集接收端信号并将其数字化，建立一个一维的向量U：

U＝[u₁，u₂，…，u_n]

其中u_i，i∈[1,2,…,N]，代表接收信号各个采样点的幅值，i表示单个采样点在整个采集点N中的位置信息，识别接收信号的各个波峰值,即信号波形的各个极大值；

步骤二：找出接收信号的基准电压：通过采集接收信号的一段基准电压并求平均值来作为信号的过零点值U_z；

步骤三：对步骤一提取的所有波峰值由大到小排序找出最大的几个峰值，对于这几个波峰值提取各个波峰对应的在整个采集点中的位置信息i的值，并且对这几个峰值对应的位置信息i的值由小到大排序生成向量P，向量P中的元素排列顺序为[P1,P2,P3,P4,P5,P6，……]；

步骤四：找到作为判断接收信号到达时刻过零点的位置，得到为信号到达时刻的特征点：找到P1位置对应的采样点u_p1之后幅值小于等于U_z的采样点U_z2，同时提取其前一个采样点U_z1，在两个采样点之间进行线性插值，然后找到幅值等于过零点值U_z对应的位置信息i的采样点，此时的位置信息i的值对应的采样点即作为信号到达时刻的特征点P_g。

步骤五：计算信号最终的传播时间。

附图说明

图1特征峰值提取法示意图

图2插值找过零点示意图

具体实施方式

以下以DN50双声道气体超声流量计为例，结合技术方案中的步骤方法，给出各步的参数设置和实施方法。测量系统使用TMS320F28335作为处理器，控制整个系统的测量时序和信号处理算法的实现。使用12位采样率为5M的SAR型ADC对模拟接收信号进行模数转换，然后利用TMS320F28335中的直接存储器访问(DMA)模块实现采集数据的快速高效搬运并存储到TMS320F28335中，利用特征峰值提取法来实现信号传播时间的计算。

步骤一：利用ADC将接收信号数字化，识别接收信号的各个波峰值。具体方法为：

(1)计算U的一阶差分向量Diffu:

Diffu(i)＝u(i+1)-u(i)，其中i∈1,2,…,N-1

(2)对差分向量进行取符号函数运算，Trend＝sign(Diffu)，即遍历Diffu，若Diffu(i)大于0，则取1；如果小于0，则取-1，否则值为0。

(3)从尾部遍历Trend向量，进行如下操作：

ifTrend(i)＝0且Trend(i+1)≥0，则Trend(i)＝1

ifTrend(i)＝0且Trend(i+1)<0，则Trend(i)＝-1

(4)对Trend向量进行一阶差分运算，如同步骤(2)，得到R＝diff(Trend)。

(5)遍历得到的差分向量R，如果R(i)＝-2，则i+1为接收信号采样点向量U的一个峰值位置，对应的峰值为u(i+1)。

步骤二：对步骤一提取的所有波峰值由大到小排序找出最大的六个峰值，并且将这六个波峰值由大到小的顺序提取其波峰对应的位置信息，从而构成一个一维向量Q：

Q＝[P3，P4，P2，P5，P1，P6]

对向量Q中包含的六个位置信息元素由小到大排序，构成向量P，向量P中的元素排列顺序为[P1,P2,P3,P4,P5,P6]，如图1所示。

步骤三：理论情况下模拟信号的基准电压值转换为数字信号会对应一个数字化幅值，然而由于模拟信号的基准电压并不是理想情况下固定不变的，且ADC的采集过程也会引入一定误差，所以我们通过实际采集接收信号的一段基准电压并求平均值来作为信号的过零点值U_z：

其中u_i，i∈[3001,3002,…,4800]，代表基准电压数字化采样点的幅值，如图1所示。

步骤四：将P1位置对应的采样点u_p1之后的各个采样点幅值与U_z进行比较，直到找到幅值小于等于U_z的采样点U_z2，还需提取其前一个采样点U_z1，在两个采样点之间进行线性插值。为了便于理解，将其表示为坐标形式，假设U_z1的坐标为[x₀,y₀]，U_z2的坐标为[x₁,y₁]，并将y＝U_z带入下式：

计算得到的x值即为信号到达时刻特征点的位置P_g，如图2所示。

步骤五：得到信号到达时刻特征点的位置信息P_g之后，与采样点间的时间间隔(采样率为5M)相乘即得到该接收信号的传播时间t：

t＝P_g×200ns

为了验证本方法在气体超声波流量计中时间测量的准确性，设计了与双阈值触发法的对比实验，实验内容为仿真实验和实流对比试验。基于仿真的方法构造叠加不同分贝噪声的超声接收信号，用两种方法处理并对比测得的期望传播时间的个数；用两种方法处理实流实验采集不同流速下的接收信号，对比它们在不同流速下即不同幅值接收信号下测得期望传播时间的个数。

为了对比两种方法的抗干扰能力，分别进行了无噪声、SNR(信噪比)＝35dB、20dB、15dB、10dB时的五组仿真实验。为了减小仿真结果的随机性，同一SNR下生成10个叠加高斯白噪声的仿真信号，通过两种方法对不同SNR下的仿真信号进行测时，得出两种方法测得的正确期望传播时间个数N，如表1所示。

表1两种方法在不同SNR下处理仿真信号结果

由表1可以看出，当SNR小于或者等于20dB时，双阈值触发法由于错波等原因测得的期望传播时间个数逐渐减少，而特征峰值提取法即使在SNR为10dB时仍然能够较多地测得期望的传播时间。

在实流实验方面，通过Labview实现对NI6110数据采集板卡控制，多次采集静态下、1m/s、5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、35m/s不同流速点下的接收信号，选出噪声较多的一次顺流情况下采集数据。使用不同的方法在每个流速点下处理100个顺流接收信号数据，然后统计测得正确的期望传播时间的个数N来比较两种不同测时方法的优劣。处理结果如表2所示。

表2两种方法在顺流时不同流速下测得正确传播时间个数

通过表2可以看出，一旦管道内气体流速大于等于10m/s，由于信号幅值波动较剧烈且信号信噪比变小，双阈值触发法错波且随流速变大越来越严重。特征峰值提取法测得的正确期望传播时间远多于双阈值触发法，在流速大于等于30m/s才会产生极少量的错误识别，而错误数据可以通过滤波进行滤除。

由以上对比分析可知，本发明提出的特征峰值提取法在不同流速下都能准确识别信号到达时刻的特征点，具有方法灵活高效、抗干扰能力强、精度高等特点。

本发明的技术方案可以概括如下：

步骤一：在产生发射信号时开始利用ADC采集接收端信号并将其数字化，如图1所示，建立一个一维的向量U：

U＝[u₁，u₂，…，u_n]

其中u_i，i∈[1,2,…,N]，代表接收信号各个采样点的幅值，i表示单个采样点在整个采集点N中的位置。利用程序算法识别接收信号的各个波峰值,即信号波形的各个极大值。

步骤二：找出接收信号的基准电压。通过实际采集接收信号的一段基准电压并求平均值来作为信号的过零点值U_z。

步骤三：对步骤一提取的所有波峰值由大到小排序找出最大的六个峰值，将这六个波峰值提取其波峰对应的采集点i的值。并且对这六个i的值由小到大排序生成向量P，向量P中的元素排列顺序为[P1,P2,P3,P4,P5,P6]。

步骤四：准确找到作为判断接收信号到达时刻过零点的位置。找到P1位置对应的采样点u_p1之后幅值小于等于U_z的采样点U_z2，同时提取其前一个采样点U_z1，在两个采样点之间进行线性插值，然后找到幅值等于过零点值U_z对应的i的值，i的值对应的采样点即作为信号到达时刻的特征点P_g。

步骤五：计算信号最终的传播时间。P_g与采样点间的时间间隔相乘即得到信号的传播时间t。

Claims (1)

1.一种准确测量气体超声流量计信号传播时间的方法，包括下列步骤：

步骤一：在产生发射信号时开始采集接收端信号并将其数字化，建立一个一维的向量U：

U＝[u₁，u₂，…，u_n]

其中u_i，i∈[1,2,…,N]，代表接收信号各个采样点的幅值，i表示单个采样点在整个采集点N中的位置信息，识别接收信号的各个波峰值,即信号波形的各个极大值；

步骤二：找出接收信号的基准电压：通过采集接收信号的一段基准电压并求平均值来作为信号的过零点值U_z；

步骤三：对步骤一提取的所有波峰值由大到小排序找出最大的几个峰值，对于这几个波峰值提取各个波峰对应的在整个采集点中的位置信息i的值，并且对这几个峰值对应的位置信息i的值由小到大排序生成向量P，向量P中的元素排列顺序为[P1,P2,P3,P4,P5,P6，……]；

步骤四：找到作为判断接收信号到达时刻过零点的位置，得到为信号到达时刻的特征点：找到P1位置对应的采样点u_p1之后幅值小于等于U_z的采样点U_z2，同时提取其前一个采样点U_z1，在两个采样点之间进行线性插值，然后找到幅值等于过零点值U_z对应的位置信息i的采样点，此时的位置信息i的值对应的采样点即作为信号到达时刻的特征点P_g。

步骤五：计算信号最终的传播时间。