CN111256786A - 一种判断气体超声流量计双阈值触发错波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种判断气体超声流量计双阈值触发错波的方法，包括下列步骤：选取峰值；计算基准值；确定判断区间的比值；进行错波判定：判定为后触发错波，前触发错波还是判定为不错波；求取修正后的传播时间：根据错波判定结果修正超声波接收信号最终的传播时间。

Description

一种判断气体超声流量计双阈值触发错波的方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，涉及气体超声流量计。

背景技术

在气体超声流量计的研究过程中，获取超声波在介质中的传播时间以及时间测量方案的精度是流量计精度的保证。现阶段超声波传播时间的测量方案主要有模拟方案与数字方案两种，模拟方案的电路设计相对简单，但准确度在大流速时难以得到保证。数字方案的测量结果准确度高，但是电路结构相对模拟方案更加复杂，方案的设计难度大。

双阈值触发法是模拟方案中一种应用于接收信号准确测时的方法。其原理是设定两个阈值，第一个阈值作为触发电平用以判断信号是否到达，第二个阈值即过零点作为信号准确到达的时刻。通过电路中的高精度计时芯片测量从单片机开始电平输出到接收信号触发第二个阈值的区间即超声信号的传播时间。为保证各流速下均可在相同位置触发，通常要与自动增益控制电路(AGC)相配合使用。当管道内气体的流速较大时，超声波接收信号衰减严重，使得第一个阈值的触发位置出现向前或向后错误触发的现象，造成实际检测到的超声波传播时间产生较大的测量误差，将该情况称为错波现象。

发明内容

本发明提供一种解决模拟方案中双阈值法存在的错波问题的方法，在此将其命名为峰值采集差值法，通过该方法实现了准确测时的目的，同时可有效解决自动控制电路的滞后性问题。技术方案如下：

一种判断气体超声流量计双阈值触发错波的方法，包括下列步骤：

步骤一：选取峰值；利用ADC采集超声波接收信号阈值触发后的五个峰值k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，并求前三个峰值之和，阈值的选择要保证所采集的前三个峰值未达到超声波接收信号最大峰值，但在第四个或第五个峰值达到超声波接收信号最大峰值，求和结果设为k：

k＝k₁+k₂+k₃

步骤二：计算基准值t：设定三个长度为10的数组A₁，A₂，A₃，依次动态采集10次超声波接收信号，并将每一次超声波接收信号阈值触发之后的三个峰值k₁，k₂，k₃对应存入数组A₁，A₂，A₃，分别将数组A₁，A₂，A₃中的10个元素相加并取平均值，得到每一个峰的平均峰值设为t₁，t₂，t₃；将其求和，结果为基准值t：

t＝t₁+t₂+t₃

步骤三：确定判断区间的比值：根据超声波接收信号的规律以及峰值保持电路的设计，设定超声波接收信号的最大峰值为k_p，并求出当次超声波接收信号最大峰值k_p与静态下初始超声波接收信号最大峰值k₀的比值，结果设为β：

步骤四：进行错波判定：

当k≥βt时，若k-βt>k₄-k₁，则判定为后触发错波，否则判定为不错波；

当k<βt时，若βt-k>k₄-k₁，则判定为前触发错波，否则判定为不错波；

步骤五：求取修正后的传播时间：根据错波判定结果修正超声波接收信号最终的传播时间；设双阈值法求得的传播时间为T，超声波接收信号频率为f，则修正后的传播时间T₁为：

后错波时

前错波时

附图说明

图1双阈值触发法原理图

图2本发明实施例的双阈值法采集峰值示意图

图3本发明实施例的后错波情况下两数值分布图

具体实施方式

以下将以前述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MSP430FR6047单片机作为主控制器，利用其ADC12采集模块采集超声波接收信号相应峰值，并用峰值采集差值法进行错波判定。具体步骤如下：

步骤一：选取峰值。

(一)使用双阈值法判断并求出超声波的传播时间T，如图1所示。第一个触发阈值作为触发电平用以判断信号是否到达，第二个特征点检测阈值即过零点作为信号准确到达的时刻。硬件电路中超声波接收信号的零点基准值为1.6V，故第一个触发阈值设为2.2V，第二个特征点检测阈值设为1.6V。通过电路中的高精度计时芯片TDC-GP21测量从单片机开始电平输出到接受信号特征点检测阈值之间的时间即为超声波的传播时间T。

(二)利用单片机ADC12采集模块采集双阈值法判断后的超声波接收信号各个峰值，并将其命名为k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，根据峰值保持电路的原理可知，当超声波接收信号峰值点达到最大值时，最大峰值点以后的峰值点将保持与最大峰值点的大小一致，如图2所示。在软件程序中将前三个峰值相加，其值设为k：

k＝k₁+k₂+k₃

步骤二：计算基准值。

求出超声波接收信号的基准值t，其是判定当次超声波接收信号是否错波的标准。设定三个长度为10的数组A₁，A₂，A₃，将每一次超声波接收信号触发之后的三个峰值k₁，k₂，k₃对应存入数组A₁，A₂，A₃。数组中存入的元素个数超过10时，去掉数组的第一个元素，其余元素向前循环一位，下一次信号的峰值作为数组的第十位元素。确保每次超声波接收信号到达时，数组中都有十个峰值元素。将数组A₁，A₂，A₃中的10个元素相加并取平均值，得到每一个峰的平均峰值设为t₁，t₂，t₃。将其求和，结果为t：

t＝t₁+t₂+t₃

步骤三：确定判断区间。

(一)求出当此超声波接收信号的最大峰值。根据超声波接收信号的规律以及峰值保持电路的设计，k₅为当此超声波接收信号的最大峰值。

(二)找出静态下超声波接收信号的最大峰值。该峰值是由自动增益控制电路手动设定的已知量，设其值为k₀。

(三)求出当次超声波接收信号最大峰值k₅与静态下初始超声波接收信号最大峰值k₀的比值，结果设为β：

步骤四：进行错波判定。

当k≥βt时，若k-βt>k₄-k₁，则判定为后触发错波，否则判定为不错波。

当k<βt时，若βt-k>k₄-k₁，则判定为前触发错波，否则判定为不错波。

如图3所示为后错波情况下采集峰值之和k乘系数β之后的基准值t分布关系图。由图可知，k和βt可以准确地对错波现象进行判别。

步骤五：求取修正后的传播时间。

根据错波判定结果修正双阈值法求得的传播时间T。设超声波接收信号频率为f，则修正后的传播时间T₁为：

后错波时

前错波时

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，借助Labview控制NI6110数据采集板卡多次采集1m/s、3m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s流速点下自动增益控制电路之后的超声波接收信号，将采集得到的超声波接收信号分别用双阈值触发法与峰值采集差值法计算超声波传播时间，每个流速点下处理1000个超声波接收信号，通过对比两种方法在不同流速下测得正确的期望传播时间的个数N来比较其优劣。处理结果如表1所示。

表1两种方法在不同流速下测得正确传播时间个数

通过表1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。峰值采集差值法测得的正确期望传播时间远多于双阈值触发法，只会产生极少量的错误识别，而少量错误数据可以通过滤波进行滤除。

由以上对比分析可知，本发明提出的峰值采集差值法在不同流速下都能解决错波问题，实现准确测时，该方法具有灵活高效、抗干扰能力强、精度高等特点。

Claims (1)

1.一种判断气体超声流量计双阈值触发错波的方法，包括下列步骤：

步骤一：选取峰值；利用ADC采集超声波接收信号阈值触发后的五个峰值k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，并求前三个峰值之和，阈值的选择要保证所采集的前三个峰值未达到超声波接收信号最大峰值，但在第四个或第五个峰值达到超声波接收信号最大峰值。求和的结果设为k：

k＝k₁+k₂+k₃

步骤二：计算基准值t：设定三个长度为10的数组A₁，A₂，A₃，依次动态采集10次超声波接收信号，并将每一次超声波接收信号阈值触发之后的三个峰值k₁，k₂，k₃对应存入数组A₁，A₂，A₃，分别将数组A₁，A₂，A₃中的10个元素相加并取平均值，得到每一个峰的平均峰值设为t₁，t₂，t₃；将其求和，结果为基准值t：

t＝t₁+t₂+t₃

步骤三：确定判断区间的比值：根据超声波接收信号的规律以及峰值保持电路的设计，设定超声波接收信号的最大峰值为k_p，并求出当次超声波接收信号最大峰值k_p与静态下初始超声波接收信号最大峰值k₀的比值，结果设为β：

步骤四：进行错波判定：

当k≥βt时，若k-βt>k₄-k₁，则判定为后触发错波，否则判定为不错波；

当k<βt时，若βt-k>k₄-k₁，则判定为前触发错波，否则判定为不错波；

步骤五：求取修正后的传播时间：根据错波判定结果修正超声波接收信号最终的传播时间；设双阈值法求得的传播时间为T，超声波接收信号频率为f，则修正后的传播时间T₁为：

后错波时

前错波时

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