CN111323101B - 超声波表自适应的自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声波表自适应的自动标定方法，包括以下步骤：S1、根据燃气表的规格、燃气管道参数，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间和超声波在燃气中的逆流传播时间的大致范围，从而获取开始采样的起始时间和结束时间；S2、标定过程：S21、在燃气流速为零时刻时，设定一个初步的起始采样时间进行超声波信号试采样；S22、根据超声波信号试采样值，判断有无最大采样点：如果不存在最大采样点，燃气表重新往后设定一个起始采样时间进行超声波信号试采样；如果有最大采样点，进行下一步。本发明所述方法实现对燃气表的自动标定，以适用于燃气表当前的供气环境。

Description

超声波表自适应的自动标定方法

技术领域

本发明涉及天然气供应设备技术领域，具体涉及超声波表自适应的自动标定方法。

背景技术

燃气表(超声波表)中的天然气的组分有甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、新戊烷、正戊烷、异戊烷、己烷、庚烷和更重组分、硫化氢、氦、氢、氧、氮和二氧化碳等组分，对于不同的天然气，它的组分的含量是不相同的，天然气的组分不同，超声波在天然气中的传播速度是不同的，也就是传播速度c_f会发生变化。

对于刚生产出厂的燃气表来说，由于都是采用空气来进行调试和标定，燃气表的调试和标定好的参数适合于空气中的声速。当把燃气表安装到用户家中时，由于每家燃气公司的气源来源都不相同，导致燃气的组分也不相同，因此调试和标定的参数不适合安装到不同气源的用户的燃气表，这些参数需要重新进行标定，现场也没有标定设备，所以，燃气表最好有自适应的自动标定方法。

而且，对于安装和使用一段时间的燃气表来说，燃气公司的气源和燃气组分可能也会发生变化，人工也无法进行干预，此时，也需要燃气表在无人工干预的条件下，来自适应地自动进行标定。

发明内容

本发明的目的在于提供超声波表自适应的自动标定方法，实现对燃气表的自动标定，以适用于燃气表当前的供气环境，且具有采样数据少、节省功耗的优点。

本发明通过下述技术方案实现：

超声波表自适应的自动标定方法，包括以下步骤：

S1、获取有效采样区域：

根据燃气表的规格、燃气管道参数，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速v_m为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间t_down和超声波在燃气中的逆流传播时间t_up的大致范围，从而获取开始采样的起始时间和结束时间，起始时间和结束时间之间的采样区域为有效采样区域；

S2、标定过程：

S21、根据步骤S1获得的起始时间和结束时间，在燃气流速v_m为零时刻时，设定一个初步的起始采样时间进行超声波信号试采样；

S22、根据步骤S21采集的超声波信号试采样值，判断有无最大采样点：如果不存在最大采样点，燃气表重新往后设定一个起始采样时间进行超声波信号试采样，继续判断有无最大采样点；如果有最大采样点，根据设定的采样幅度值门限值来逐步调整开始采样时间和结束采样时间，使采样区域为最好的有用信号覆盖区域。

对于不同的天然气，它的组分的含量是不相同的，天然气的组分不同，超声波在天然气中的传播速度是不同的，也就是传播速度c_f会发生变化，由于超声波燃气表的两个换能器探头的距离是固定不变的，所以超声波传播速度的不同，会导致超声波在两个超声传感器之间传输时间的变化。

对于采用A/D采样方法(A/D采样方法就是对接收到超声波模拟信号经过高速采样转换为数字信号，即A/D采样，Analog/Digital转换)来进行飞行时间估算的方法来说，开始采样的起始时间和结束时间非常重要，如图2所示，在固定采样持续时间的条件下，如按左边方框的采样方式来采样，就是采样时间过早，前面采样了一些无用信息，后面的有用信息没有采样到；如按右边方框的采样方式来采样，就是采样时间过晚，后面采样了一些无用信息，前面的有用信息没有采样到；如按中间方框的采样方式来采样，则采样时间刚好，前面和后面采样的都是有用信息(前面和后面的采样值可以根据设定的采样幅度值门限值来进行判断，即前面和后面的采样值均在采样幅度值门限值范围内)，中间方框的采样区域为效采样区域。

在现有技术中，燃气表是通过封闭管道中燃气流动对超声波束作用而引起超声顺流和逆流传播时间差的速度式仪表，超声波在燃气中的实际传播速度是由燃气静止状态下超声波的传播速度和流体轴向流速在超声波传播方向上的分量组成，超声波在顺流方向传播速度快，逆流方向传播速度慢，测量顺流方向和逆流方向传播的时间，计算出其时间差(时间差法)。利用超声波顺流逆流传播的时间差与传播距离的关系计算出燃气流速，再通过燃气表声道横截面面积从而得到燃气流量。

直接采用A/D采样方法，没有对开始采样的起始时间和结束时间进行预计算或是预估，导致需要采集大量采样数据进行数据分析，且A/D采样过程需要消耗大电流，需要大量内存消耗和计算时间，成本较高。

本发明通过根据燃气表的规格、燃气管道参数，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速vm为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间tdown和超声波在燃气中的逆流传播时间tup的大致范围，从而可以快速确定初始采样时间，来加快找到有效采样区域，以有效采样区域作为后续标定的参考，可以减少采样数据、节省功耗，且减少内存消耗和计算时间，减少成本支出。

因此，本发明不仅实现对燃气表的自动标定，以适用于燃气表当前的供气环境，且具有采样数据少、节省功耗的优点。

进一步地，步骤S1中，通过燃气表的规格能够获取燃气表的的最大流量，再结合燃气管道的横截面积，以最大流量除以横截面积，获得燃气的最大流速，通过最大流速集合燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速v_m为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间t_down和超声波在燃气中的逆流传播时间t_up的大致范围。

进一步地，燃气流速v_m为零时刻时，燃气管道中天然气无流量，则有：

式中，t_down为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s。

进一步地，燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系包括：

式中，t_down(t_AB)为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up(t_BA)为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s；v_m为燃气的轴向平均速度，单位为m/s；φ为声道角。

进一步地，步骤S2的标定过程适用于燃气表在刚开始通气安装时和燃气表使用过程中的燃气表自动标定。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过根据燃气表的规格、燃气管道参数，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速vm为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间tdown和超声波在燃气中的逆流传播时间tup的大致范围，从而可以快速确定初始采样时间，来加快找到有效采样区域，以有效采样区域作为后续标定的参考，可以减少采样数据、节省功耗，且减少内存消耗和计算时间，减少成本支出；因此，本发明不仅实现对燃气表的自动标定，以适用于燃气表当前的供气环境，且具有采样数据少、节省功耗的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为时差法燃气表的工作原理示意图；

图2为采用A/D采样方法采样不同采用区域的对比示意图；

图3为本发明的逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1-图3所示，超声波表自适应的自动标定方法，包括以下步骤：

S1、获取有效采样区域：

根据燃气表的规格(比如G2.5，G4等)、燃气管道参数(例如横截面积等)，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速v_m为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间t_down和超声波在燃气中的逆流传播时间t_up的大致范围，从而获取开始采样的起始时间和结束时间，起始时间和结束时间之间的采样区域为有效采样区域；

具体地：

通过燃气表的规格能够获取燃气表的的最大流量，再结合燃气管道的横截面积，以最大流量除以横截面积，获得燃气的最大流速，根据封闭管道中燃气的平均速度v_m与管道横截面面积S关系，则可得到瞬时流量。

q＝3600×v_m×S (4)

式中：

S为管道横截面面积，m²；

q为瞬时流量，m³/h；

燃气流速v_m为零时刻时，燃气管道中天然气无流量，则有：

式中，t_down为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s；

所述燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系包括：

式中，t_down(t_AB)为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up(t_BA)为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s；v_m为燃气的轴向平均速度，单位为m/s；φ为声道角；

根据公式(1)和公式(2)可推算出燃气的平均速度为：

根据公式(1)、(2)、(3)，能估算出飞行时间的大致范围，从而可以快速确定初始采样时间，来加快找到有效采样区域；

S2、标定过程：

S21、根据步骤S1获得的起始时间和结束时间，在燃气流速v_m为零时刻时，设定一个初步的起始采样时间进行超声波信号试采样；

S22、根据步骤S21采集的超声波信号试采样值，判断有无最大采样点：如果不存在最大采样点，燃气表重新往后设定一个起始采样时间进行超声波信号试采样，继续判断有无最大采样点；如果有最大采样点，根据设定的采样采样幅度值门限值来逐步调整开始采样时间和结束采样时间，使采样区域为最好的有用信号覆盖区域；

步骤S2的标定过程适用于燃气表在刚开始通气安装时和燃气表使用过程中的燃气表自动标定。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.超声波表自适应的自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取有效采样区域：

根据燃气表的规格、燃气管道参数，以及燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速v_m为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间t_down和超声波在燃气中的逆流传播时间t_up的大致范围，从而获取开始采样的起始时间和结束时间，起始时间和结束时间之间的采样区域为有效采样区域；

S2、标定过程：

S21、根据步骤S1获得的起始时间和结束时间，在燃气流速v_m为零时刻时，设定一个初步的起始采样时间进行超声波信号试采样；

S22、根据步骤S21采集的超声波信号试采样值，判断有无最大采样点：如果不存在最大采样点，燃气表重新往后设定一个起始采样时间进行超声波信号试采样，继续判断有无最大采样点；如果有最大采样点，根据设定的采样幅度值门限值来逐步调整开始采样时间和结束采样时间，使采样区域为最好的有用信号覆盖区域。

2.根据权利要求1所述的超声波表自适应的自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，通过燃气表的规格能够获取燃气表的最大流量，再结合燃气管道的横截面积，以最大流量除以横截面积，获得燃气的最大流速，通过最大流速结合燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系分别计算在燃气流速v_m为零时刻时，超声波在燃气中的顺流传播时间t_down和超声波在燃气中的逆流传播时间t_up的大致范围。

3.根据权利要求1所述的超声波表自适应的自动标定方法，其特征在于，燃气流速v_m为零时刻时，燃气管道中天然气无流量，则有：

式中，t_down为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s。

4.根据权利要求1所述的超声波表自适应的自动标定方法，其特征在于，所述燃气表超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系包括：

式中，t_down、t_AB均为超声波在燃气中的顺流传播时间，单位为S；t_up、t_BA均为超声波在燃气中的逆流传播时间，单位为S；L为声道长度，单位为m；c_f为超声波在燃气中传播的速度，单位为m/s；v_m为燃气的轴向平均速度，单位为m/s；φ为声道角。

5.根据权利要求1-4任一项所述的超声波表自适应的自动标定方法，步骤S2的标定过程适用于燃气表在刚开始通气安装时和燃气表使用过程中的燃气表自动标定。

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