CN111157066B - 基于第一包络重合度的气体超声流量计渡越时间计算方法 - Google Patents

基于第一包络重合度的气体超声流量计渡越时间计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法。本发明通过对接收波形和多种渡越时间计算方法的分析与验证，提出一种新的渡越时间计算方法。该方法截取静态情况下接收波形中第一包络轮廓最稳定的一段波形作为参考波形，确定最佳缩放比，与流体流动情况下的接收波形作重合度计算，从而获得渡越时间，并计算流量。通过实验对比验证，相比于传统的互相关算法，基于重合度的渡越时间计算方法有效提高了中、高流速下渡越时间测量的准确性，提高了气体超声波流量计的测量精度，扩大了仪表的量程比。

Description

基于第一包络重合度的气体超声流量计渡越时间计算方法
技术领域
本发明属于气体超声波流量检测技术领域，特别涉及一种基于接收波形第一包络上升沿重合度的渡越时间计算方法。
背景技术
随着我国清洁能源天然气使用的飞速增长，天然气管网也在不断扩建，天然气流量计量在天然气输送和贸易计量中发挥越来越重要的作用。相比于其他流量仪表，超声波流量计具有非接触式测量、量程比大、可用于大管径测量、无压损、可测双向流和可管道清洗等优点，引起了人们极大的关注。国外对超声波流量计技术的研究起步较早，经过长期的研究和实践，积累了丰富的理论与经验。国内也有许多科研单位在进行气体超声波流量计的研究，并取得了诸多的成果。但由于起步较晚，国产气体超声波流量计无论在整体性能还是市场占有率上都与国外产品有较大的差距。
气体超声波流量计根据检测原理的不同可分为时差法、相位差法、频差法、相关法和多普勒法等。其中时差法是目前市场上气体流量计中最常用的方法，其原理是利用超声波在流动气体中顺、逆流渡越时间的差计算出气体流速，进而得到气体流量。因此渡越时间测量的准确性成为决定气体流量计测量精度的关键。超声波在气体中传播时容易受到流场变化的干扰，导致接收波形发生畸变，特别是在中、高流速下，接收波形的幅值和形态都会发生严重的畸变，从而给渡越时间的准确测量带来较大的困扰。
目前，气体超声波流量计的渡越时间测量方法主要有三种：阈值检测法，互相关法以及曲线拟合法。阈值法原理简单，通过设置阈值电压得到接收波形特征点，进而得到渡越时间，常用于实时性要求比较高的场合。但是由于气体中超声波能量的衰减、流量的波动以及环境的变化，使得接收到的超声波信号幅值变化很大，经常导致特征点的定位错误，给计算结果带来较大误差。曲线拟合方法是基于超声脉冲接收信号模型，利用智能算法对接收信号进行估计。常用的模型是高斯模型和指数模型，该方法可以工作在强噪声环境下，但是计算方法过于复杂，实际波形与模型也会有偏离，且不适用于非连续激励模式。互相关法是将气体流动时得到的接收波形与静态下的接收波形做互相关运算，互相关函数最大值对应的时间即为两波形的时间差，从而得到渡越时间。互相关算法对于接收波形幅值的衰减不敏感，抗干扰能力较强。但是互相关算法要求接收波形的形态具有稳定性。当超声波受到流场与噪声的干扰时，互相关函数的最大值与次大值容易发生错位。有研究人员利用反相激励以及互相关优化方法提升渡越时间的计算精度，取得了较好的效果，但反相激励模式也导致接收信号形态变得更加复杂。当管道中气体高速流动时，受到流场的影响，接收波形更加容易发生畸变，从而导致渡越时间计算结果发生偏差。
发明内容
本发明针对气体超声波流量计反相激励模式下传统互相关算法存在的不足，利用接收波形第一包络上升沿在不同流速下具有较好的稳定性，提出一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，旨在克服在反相激励模式下互相关算法在中、高流速下渡越时间测量精度不高的问题，提高渡越时间测量的准确度，提高流量计的测量精度，扩大流量计的量程比。
本发明的技术实施方案如下：
一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，该方法包括以下步骤：
1)针对全量程范围，通过设置流速间隔，选择覆盖全流态和流速段的Nv个流速点作为建模的流速点；
2)在管道静态条件下，每个流速点采集若干数量相等的顺、逆流超声波接收信号并取平均，然后采用FIR滤波器滤除低频和高频的杂波干扰信号，滤波后的波形作为平均静态波形；
3)截取2)中平均静态波形的长度为N_ref一部分作为参考波形，截取时以平均静态波形第一包络上升沿近似成直线的部分为基准，向前截取与该部分等长的波形，向后截取两个周期的波形；其中近似成直线的上升沿部分的峰值点为线性峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Li，i＝1～n，n为参考波形中线性峰值点总数；线性峰值点后两个周期的峰值点为惩罚峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Pi，i＝1～4；
4)在每个流速点下每个声道连续采集M个顺流接收波形和M个逆流接收波形，并使用FIR滤波器滤除杂波干扰，得到接收波形，长度为N’，将接收波形与参考波形的起始位置对齐，定义参考波形的移动步长k，k为整数，初始值为0；
5)将参考波形向右移动k个步长，截取接收波形中和参考波形首尾对应的波形作为目标波形；
6)由参考波形的线性峰值点的幅值Li及其在目标波形中对应点的幅值L'i、4个惩罚峰值点幅值Pi及其在目标波形中对应点的幅值Pi'确定目标波形的缩放系数K(k)，缩放系数K(k)的计算公式为：
Figure GDA0002627185070000031
7)将目标波形乘以缩放系数后得到计算波形，与参考波形各对应点做差并求其平方和，得到其重合度函数值，其计算公式为：
Figure GDA0002627185070000032
Figure GDA0002627185070000033
其中，x(i)为参考波形，y(k)(i)为目标波形，K(k)为目标波形缩放系数，N为目标波形长度，Dxy(k)为计算波形与参考波形的重合偏差，Cxy(k)为计算波形与参考波形的重合度；若Dxy(k)为0，表示计算波形与参考波形完全重合，此时的步长k所对应的渡越时间即为接收波形的渡越时间；若Dxy(k)不为0，取Dxy(k)的倒数作为计算波形与参考波形的重合度；
8)将移动步长k加1；当k小于N’-N_ref时，重复第6)步和第7)步；当k等于N’-N_ref时，循环结束，得到一组该接收波形与参考波形的重合度函数值，找出其中重合度函数的最大值所对应的k，从而计算出此接收波形的渡越时间。
步骤3)对于参考波形的选取方法的具体实现可以如下所示：在平均静态波形中，以第一包络上升沿近似成直线的部分为基准，向前截取与该部分等长的波形，向后截取两个周期的波形，由此得到的波形作为参考波形，该选取方法充分利用了接收波形第一包络上升沿在中、高流速下也具有稳定的轮廓形态这一特性，从而较大程度的克服了传统互相关算法因在中、高流速下波形发生畸变而带来的渡越时间计算误差问题。
步骤6)对于目标波形确定缩放比的方法的具体实现可以如下所示：记参考波形第一包络近似成直线的上升沿部分的峰值点为线性峰值点，记线性峰值点后两个周期的四个峰值点为惩罚峰值点；将参考波形的n个线性峰值点的幅值和4个惩罚峰值点幅值分别与目标波形对应点的幅值做比取平均后的结果作为目标波形的缩放系数；采用多个峰值点幅值来计算缩放系数有效避免了噪声影响下个别峰值点幅值异常带来误差；同时惩罚峰值点的存在使得参考波形在正确位置的前一个周期或后一个周期时确定的目标波形缩放系数增大，也即拉大了重合度函数中最大峰值和次大峰值的差值，有效克服了渡越时间“跳周期”现象。
步骤7)对于计算渡越时间的重合度法的具体实现可以如下所示：将目标波形按照缩放系数K(k)进行缩放后的波形与参考波形各点做差求平方和后取平均得到计算波形与参考波形的重合偏差，然后再求重合偏差的倒数，得到计算波形与参考波形的重合度；接收波形与参考波形进行重合度计算，得到一组重合度值，根据重合度最大值对应的k值为基准计算渡越时间。
重合度法是基于不同流速下接收波形第一包络上升沿部分最为稳定，经过适当缩放后这部分波形具有较高的一致性。该方法是互相关算法的拓展和延伸，是将在时间轴上有时延的两个波形做重合度计算，得到的重合度最大值对应的时间差即为两个波形之间的时间差。互相关算法是基于整个包络进行互相关计算，但随着流速的增大，接收波形第一包络的下降沿发生畸变，幅值异常增大，导致第一包络从形态上看向右发生偏移，进而造成渡越时间的计算发生偏差。从波形的稳定性方面考虑，在不同流速下波形的上升沿部分是最稳定的，因此采用重合度法可以有效避免不同流速下波形畸变带来的干扰，提升算法抗波形畸变的能力。
本发明的优点在于：针对气体超声波流量计接收波形在中、高流速下测量时易发生波形畸变的现象，基于波形第一包络上升沿最为稳定、在不同流速下具有较高一致性的特点，提出了一种基于第一包络重合度气体超声波流量计渡越时间计算方法，提升算法在中、高渡越时间测量时的抗波形畸变能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，针对气体超声波流量计中波形畸变对渡越时间计算带来的干扰，提供了一种基于第一包络重合度气体超声波流量计渡越时间计算方法。基于重合度的渡越时间计算方法可以确保在中、高流速下由于换能器、流场以及环境噪声等因素带来波形畸变时仍可得到比较稳定且准确的渡越时间，有效提高了中、高流速下渡越时间测量的准确性和流速计算的重复性，并且扩大了仪表的量程。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是平均静态波形和参考波形；
图3是20m/s流速下的接收波形随着参考波形的移动得到的目标波形；
图4是20m/s流速下接收波形与参考波形的重合度函数图；
图5是使用互相关算法计算的20m/s流速下150组波形的渡越时间分布情况；
图6是使用重合度算法计算的20m/s流速下150组波形的渡越时间分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
参照图1，本发明的流程包括算法构建与渡越时间计算两个阶段，在包含低、中、高流速的全量程范围内采集15个流速点，0m/s、0.6m/s、1.0m/s、2.5m/s、5.0m/s、7.5m/s、10.0m/s、12.5m/s、15.0m/s、17.5m/s、20.0m/s、22.5m/s、25.0m/s、27.5m/s、30.0m/s，每个流速点连续采集300个，顺、逆流波形各150组。
参照图2，随机选取管道静态条件下顺、逆流接收波形各20个后取平均后，采用FIR滤波器滤除低频和高频的杂波干扰信号，得到平均静态波形。截取平均静态波形的一部分(以平均静态波形第一包络近似成直线的上升沿部分为基准，向前截取与该部分等长的波形，向后截取两个周期的波形)作为参考波形，其长度为N_ref。其中近似成直线的上升沿部分的峰值点为线性峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Li，i＝1～n，n为参考波形中线性峰值点总数。线性峰值点后两个周期的峰值点为惩罚峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Pi，i＝1～4。
如图3，上方的波形是由平均静态波形得到的参考波形，下方的波形是20m/s流速下的接收波形。在计算该波形的渡越时间时，将接收波形与参考波形的起始位置对齐，参考波形向右移动k个步长，截取接收波形中与参考波形首尾对应的波形作为目标波形(其中，移动步长k为整数，最小值为0，最大值等于接收波形长度与参考波形长度之差)。然后由参考波形的线性峰值点的幅值Li及其在目标波形中对应点的幅值L'i、4个惩罚峰值点幅值Pi及其在目标波形中对应点的幅值Pi'确定目标波形的缩放系数K(k)，缩放系数K(k)的计算公式为：
Figure GDA0002627185070000061
Li为参考波形的系数峰值点幅值，L'i为Li在目标波形对应点的幅值，Pi为参考波形的惩罚峰值点幅值，Pi'为Pi在目标波形对应点的幅值。
将目标波形乘以缩放系数后得到计算波形，与参考波形各对应点做差并求其平方和，得到重合度运算之后的重合度函数。
其中，重合度函数计算公式如下：
Figure GDA0002627185070000062
Figure GDA0002627185070000063
Dxy(k)为计算波形与参考波形的重合偏差，x(i)为参考波形，y(k)(i)为目标波形，K(k)为目标波形缩放系数，N为目标波形长度，Cxy(k)为计算波形与参考波形的重合度。将Cxy(k)中最大值对应的横坐标作为渡越时间计算的基准点即可求得渡越时间。若Dxy(k)为0，表示计算波形与参考波形完全重合，此时的步长k所对应的渡越时间即为接收波形的渡越时间；若Dxy(k)不为0，取Dxy(k)的倒数作为计算波形与参考波形的重合度。20m/s流速下接收波形与参考波形的重合度函数图如图4所示。
至此，渡越时间计算的算法构建已经完毕。该方法的实施依据是同一对超声波换能器在不同流速下、不同流场与工作条件下的接收波形第一包络上升沿部分最为稳定，相似程度最大。互相关算法将两个时间轴上的波形做互相关计算，得到互相关函数，依赖于包络与包络之间的相似程度。但随着流速增大，管道内流场变得更加复杂，接收波形将发生不同程度的畸变，尤其是第一包络的下降沿幅值异常增大，导致接收波形第一包络从形态上看与正常包络相比向右移动一到两个周期，进而导致使用互相关算法计算得到的渡越时间容易发生分层现象。重合度法是基于接收波形第一包络上升沿部分，由于反相激励模式中前几个激发电压是连续激励的，这部分最为稳定，因此该方法不受接收波形其他部分畸变的影响。同时，采用多个峰值点幅值来计算缩放系数有效避免了噪声影响下个别峰值点幅值异常带来的误差。引入惩罚峰值点也拉大了重合度函数中最大峰值和次大峰值的差值，有效克制了渡越时间“跳周期”现象。最后由计算出的重合度函数最大值对应的渡越时间作为该接收波形的渡越时间。
实验结果对比如图5和图6，在20m/s的高流速下，采取传统的互相关算法计算渡越时间，由于部分波形发生畸变，导致计算的渡越时间发生分层。超声波信号频率为200KHz，因此两层之间相差约5us，这为最终得到准确的渡越时间带来了很大的干扰，也导致流速计算的重复性较差。采用重合度法，依据第一包络上升沿部分来确定渡越时间，避免了各种因素导致的波形畸变带来的问题，有效提高了中、高流速下渡越时间测量的准确性和流速计算的重复性，并且扩大了仪表的量程。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)针对全量程范围，通过设置流速间隔，选择覆盖全流态和流速段的Nv个流速点作为建模的流速点；
2)在管道静态条件下，每个流速点采集若干数量相等的顺、逆流超声波接收信号并取平均，然后采用FIR滤波器滤除低频和高频的杂波干扰信号，滤波后的波形作为平均静态波形；
3)截取2)中平均静态波形的长度为N_ref一部分作为参考波形，截取时以平均静态波形第一包络上升沿近似成直线的部分为基准，向前截取与该部分等长的波形，向后截取两个周期的波形；其中近似成直线的上升沿部分的峰值点为线性峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Li，i＝1～n，n为参考波形中线性峰值点总数；线性峰值点后两个周期的峰值点为惩罚峰值点，记录其在参考波形中的幅值为Pi，i＝1～4；
4)在每个流速点下每个声道连续采集M个顺流接收波形和M个逆流接收波形，并使用FIR滤波器滤除杂波干扰，得到接收波形，长度为N’，将接收波形与参考波形的起始位置对齐，定义参考波形的移动步长k，k为整数，初始值为0；
5)将参考波形向右移动k个步长，截取接收波形中和参考波形首尾对应的波形作为目标波形；
6)由参考波形的线性峰值点的幅值Li及其在目标波形中对应点的幅值L'i、4个惩罚峰值点幅值Pi及其在目标波形中对应点的幅值Pi'确定目标波形的缩放系数K(k)，缩放系数K(k)的计算公式为：
Figure FDA0002627185060000011
7)将目标波形乘以缩放系数后得到计算波形，与参考波形各对应点做差并求其平方和，得到其重合度函数值，其计算公式为：
Figure FDA0002627185060000012
Figure FDA0002627185060000021
其中，x(i)为参考波形，y(k)(i)为目标波形，K(k)为目标波形缩放系数，N为目标波形长度，Dxy(k)为计算波形与参考波形的重合偏差，Cxy(k)为计算波形与参考波形的重合度；若Dxy(k)为0，表示计算波形与参考波形完全重合，此时的步长k所对应的渡越时间即为接收波形的渡越时间；若Dxy(k)不为0，取Dxy(k)的倒数作为计算波形与参考波形的重合度；
8)将移动步长k加1；当k小于N’-N_ref时，重复第6)步和第7)步；当k等于N’-N_ref时，循环结束，得到一组该接收波形与参考波形的重合度函数值，找出其中重合度函数的最大值所对应的k，从而计算出此接收波形的渡越时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，其特征在于，步骤3)对于参考波形的选取方法：在平均静态波形中，以第一包络上升沿近似成直线的部分为基准，向前截取与该部分等长的波形，向后截取两个周期的波形，由此得到的波形作为参考波形，该选取方法充分利用了接收波形第一包络上升沿在中、高流速下也具有稳定的轮廓形态这一特性，从而较大程度的克服了传统互相关算法因在中、高流速下波形发生畸变而带来的渡越时间计算误差问题。
3.根据权利要求1所述的一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，其特征在于，步骤6)对于目标波形确定缩放比的方法：记参考波形第一包络近似成直线的上升沿部分的峰值点为线性峰值点，记线性峰值点后两个周期的四个峰值点为惩罚峰值点；将参考波形的n个线性峰值点的幅值和4个惩罚峰值点幅值分别与目标波形对应点的幅值做比取平均后的结果作为目标波形的缩放系数；采用多个峰值点幅值来计算缩放系数有效避免了噪声影响下个别峰值点幅值异常带来误差；同时惩罚峰值点的存在使得参考波形在正确位置的前一个周期或后一个周期时确定的目标波形缩放系数增大，也即拉大了重合度函数中最大峰值和次大峰值的差值，有效克服了渡越时间“跳周期”现象。
4.根据权利要求1所述的一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，其特征在于，步骤7)对于计算渡越时间的重合度法：将目标波形按照缩放系数K(k)进行缩放后的波形与参考波形各点做差求平方和后取平均得到计算波形与参考波形的重合偏差，然后再求重合偏差的倒数，得到计算波形与参考波形的重合度；接收波形与参考波形进行重合度计算，得到一组重合度值，根据重合度最大值对应的k值为基准计算渡越时间。
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