CN111693732A - 基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，包括步骤：S1.管道内流体静止时，采集顺流和逆流超声波接收信号波形；S2.确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形；S3.管道内流体运动时，采集顺流和逆流超声波接收信号波形；S4.互相关计算第一个顺流和第一个逆流超声波的渡越时间；S5.确定第一个顺流和第一个逆流实时参考波形并采用互相关计算第二个顺流和第二个逆流超声波的渡越时间；S6.按照步骤S5类推，对上一个实时参考波形进行更新并互相关计算下一个超声波的渡越时间。本发明的一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，能够有效准确地计算渡越时间，使用范围广，适用性强。

Description

基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法

技术领域

本发明涉及超声波检测领域，具体涉及一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法。

背景技术

通常用于计算超声波渡越时间的方法有阈值法、互相关法等。阈值法的计算原理是将被测信号与预设的阈值进行比较，将信号幅值达到阈值的点当作特征点，结合过零比较算法计算超声波渡越时间，常用的阈值法有固定阈值法，双阈值法和滑动阈值法等。采用阈值法通常要求接收信号的信噪比很高，且起振点附近局部形状稳定没有大的跳变，否则会引起较大的计算误差，也即是渡越时间计算中常见的“跳周”问题。实际上，当超声波在密度较低的气体介质中传播时，如常压和负压环境中，声能损失较大导致信噪比很低，而且在高流速下起振点附近波形抖动严重。针对这样的问题，一些学者采用互相关方法取代阈值法进行超声波渡越时间检测，取得了不同程度的实际效果。

互相关算法根据两个信号的整体相似性来确定信号之间的间隔时间，避免了对波形局部特征的过度关注。P.Brassier、王铭学等人利用经过两次管道内壁反射的回波作为参考波形，与直接对射实时接收的超声波信号进行互相关计算，在流量测试实验中取得了良好的测量结果，但是，当被测管道气体的压力较小或管道尺寸较大时，经过多次反射的回波信号十分弱小甚至被噪声淹没，所以，基于回波法参考波形的互相关算法应用范围有限；季涛等人提出根据静态环境下的顺流逆流平均波形构建参考波形，与实际接收波形进行互相关计算，在气体流量标准装置上测试得到了较好的效果，但是该方法未考虑当接收波形受环境因素影响导致与参考波形相关性下降的情况，该计算方法的实际应用可行性不高。

因此，为解决以上问题，需要一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，能够有效准确地计算渡越时间，使用范围广，适用性强。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，能够有效准确地计算渡越时间，使用范围广，适用性强。

本发明的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，包括如下步骤：

S1.管道内流体静止时，采集顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；

S2.确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形；

S3.管道内流体运动时，实时采集顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；

S4.将实时采集的第一个顺流超声波接收信号波形与顺流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_d1作为第一个顺流超声波的渡越时间；将实时采集的第一个逆流超声波接收信号波形与逆流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_u1作为第一个逆流超声波的渡越时间；

S5.根据第一个顺、逆流超声波接收信号波形确定第一个顺、逆流实时参考波形；计算第一个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_d1以及第一个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_u1，并对实时采集的第二个顺流超声波接收信号波形与第一个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d2以及对实时采集的第二个逆流超声波接收信号波形与第一个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u2，将所述时间偏差Δt_d1与所述间隔时间t′_d2的和作为第二个顺流超声波的渡越时间,将所述时间偏差Δt_u1与所述间隔时间t′_u2的和作为第二个逆流超声波的渡越时间；

S6.按照步骤S5类推，根据第k个顺、逆流超声波接收信号波形计算第k+1个顺、逆流超声波的渡越时间；其中，k＝2,4,…,N。

进一步，步骤S2中，确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形，具体包括：

S21.将步骤S1采集的顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动m个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bd，将顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动n个采样周期后的时刻作为终止时刻t_ed；

S22.将区间[t_bd,t_ed]中所有时刻对应的顺流静态波形组成的集合作为顺流静态参考波形；

S23.将步骤S1采集的逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动r个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bu，将逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动s个采样周期后的时刻作为终止时刻t_eu；

S24.将区间[t_bu,t_eu]中所有时刻对应的逆流静态波形组成的集合作为逆流静态参考波形。

进一步，所述步骤S6具体包括：

S61.按照步骤S21-S24类推，根据实时采集的第i个顺流超声波接收信号波形和第j个逆流超声波接收信号波形分别得到第i个顺流实时参考波形和第j个逆流实时参考波形；其中，i＝2,3,…,N；j＝2,3,…,N；

S62.确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di；

S63.将实时采集的第i+1个顺流超声波接收信号波形与第i个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d(i+1)，并确定实时采集的第i+1个顺流超声波的渡越时间；其中，所述第i+1个顺流超声波的渡越时间为t′_d(i+1)+Δt_di；

S64.确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj；

S65.将实时采集的第j+1个逆流超声波接收信号波形与第j个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u(j+1)，并确定实时采集的第j+1个逆流超声波的渡越时间；其中，所述第j+1个逆流超声波的渡越时间为t′_u(j+1)+Δt_uj。

进一步，步骤S62中，根据如下公式确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di：

其中，t′_bdi为第i个顺流实时参考波形的开始时间；t′_di为第i个顺流超声波接收信号波形与第i-1个顺流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

进一步，步骤S64中，根据如下公式确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj：

其中，t′_buj为第j个逆流实时参考波形的开始时间；t′_uj为第j个逆流超声波接收信号波形与第j-1个逆流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，通过构建静态与实时的顺逆流参考波形，将参考波形与实时测量的波形进行互相关计算，进而准确地计算出渡越时间，使用范围广，适用性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的静态参考波形与实时接收波形示意图；

图3为本发明的超声波流量计工作原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，包括如下步骤：

S1.管道内流体静止时，分别采集一次顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；本实施例中，在管道内布置两个具有收发一体功能的超声波换能器A和B，其中，A和B之间声道长度为L，A和B之间声道夹角为θ；若A向B发送超声波时，超声波在管道内气体运动的作用下在所述气体中的传播速度加快，则将A向B发送超声波时，采集的超声波接收信号波形作为顺流超声波接收信号波形，并将B向A发送超声波时，采集的超声波接收信号波形作为逆流超声波接收信号波形。

S2.确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形；

S3.管道内流体运动时，实时采集顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；

S4.将实时采集的第一个顺流超声波接收信号波形与顺流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_d1作为第一个顺流超声波接收信号波形的渡越时间；将实时采集的第一个逆流超声波接收信号波形与逆流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_u1作为第一个逆流超声波接收信号波形的渡越时间。本实施例中，所述间隔时间t′_d1＝mT，其中，m为第一个顺流超声波接收信号波形与顺流静态参考波形进行互相关计算得到的互相关函数取最大值时，互相关函数横坐标对应的值；T为超声波信号采样周期。所述间隔时间t′_u1的计算原理与计算间隔时间t′_d1的原理相同，在此不再赘述；

S5.根据第一个顺、逆流超声波接收信号波形确定第一个顺、逆流实时参考波形；计算第一个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_d1以及第一个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_u1，并对实时采集的第二个顺流超声波接收信号波形与第一个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d2以及对实时采集的第二个逆流超声波接收信号波形与第一个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u2，将所述时间偏差Δt_d1与所述间隔时间t′_d2的和作为第二个顺流超声波的渡越时间,将所述时间偏差Δt_u1与所述间隔时间t′_u2的和作为第二个逆流超声波的渡越时间；

S6.按照步骤S5类推，根据第k个顺、逆流超声波接收信号波形计算第k+1个顺、逆流超声波的渡越时间；其中，k＝2,4,…,N。

本实施例中，步骤S2中，确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形，具体包括：

S21.将步骤S1采集的顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动m个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bd，将顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动n个采样周期后的时刻作为终止时刻t_ed；本实施例中，m取值为正整数，优先地，m取值为8；n取值为正整数，优先地，n取值为20；

S22.将区间[t_bd,t_ed]中所有时刻对应的顺流静态波形组成的集合作为顺流静态参考波形；

S23.将步骤S1采集的逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动r个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bu，将逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动s个采样周期后的时刻作为终止时刻t_eu；本实施例中，r取值为正整数，优先地，r取值为8；s取值为正整数，优先地，s取值为20；

S24.将区间[t_bu,t_eu]中所有时刻对应的逆流静态波形组成的集合作为逆流静态参考波形。

本实施例中，所述步骤S6具体包括：

S61.按照步骤S21-S24类推，根据实时采集的第i个顺流超声波接收信号波形和第j个逆流超声波接收信号波形分别得到第i个顺流实时参考波形和第j个逆流实时参考波形；其中，i＝2,3,…,N，j＝2,3,…,N；

S62.确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di；

S63.将实时采集的第i+1个顺流超声波接收信号波形与第i个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d(i+1)，并确定第i+1个实时采集的顺流超声波接收信号波形对应的超声波渡越时间，所述超声波渡越时间为t′_d(i+1)+Δt_di；

S64.确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj；

S65.将实时采集的第j+1个逆流超声波接收信号波形与第j个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u(j+1)，并确定第j+1个实时采集的逆流超声波接收信号波形对应的超声波渡越时间，所述超声波渡越时间为t′_u(j+1)+Δt_uj。

本实施例中，步骤S62中，根据如下公式确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di：

其中，t′_bdi为第i个顺流实时参考波形的开始时间；t′_di为第i个顺流超声波接收信号波形与第i-1个顺流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

本实施例中，步骤S64中，根据如下公式确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj：

其中，t′_buj为第j个逆流实时参考波形的开始时间；t′_uj为第j个逆流超声波接收信号波形与第j-1个逆流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

本实施例中，根据上述步骤，实时采集N个顺流超声波接收信号波形可得到N个顺流超声波渡越时间，取N个顺流超声波渡越时间的平均值作为最终的顺流超声波渡越时间t_down；同理，实时采集N个逆流超声波接收信号波形可得到N个逆流超声波渡越时间，取N个逆流超声波渡越时间的平均值作为最终的逆流超声波渡越时间t_up；则可求得管道气体流速v：

进一步，根据管道内径D，可计算得到管道瞬时流量q：

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.管道内流体静止时，采集顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；

S2.确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形；

S3.管道内流体运动时，实时采集顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形；

S4.将实时采集的第一个顺流超声波接收信号波形与顺流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_d1作为第一个顺流超声波的渡越时间；将实时采集的第一个逆流超声波接收信号波形与逆流静态参考波形进行互相关计算得到的间隔时间t′_u1作为第一个逆流超声波的渡越时间；

S5.根据第一个顺、逆流超声波接收信号波形确定第一个顺、逆流实时参考波形；计算第一个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_d1以及第一个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_u1，并对实时采集的第二个顺流超声波接收信号波形与第一个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d2以及对实时采集的第二个逆流超声波接收信号波形与第一个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u2，将所述时间偏差Δt_d1与所述间隔时间t′_d2的和作为第二个顺流超声波的渡越时间,将所述时间偏差Δt_u1与所述间隔时间t′_u2的和作为第二个逆流超声波的渡越时间；

S6.按照步骤S5类推，根据第k个顺、逆流超声波接收信号波形计算第k+1个顺、逆流超声波的渡越时间；其中，k＝2,4,…,N。

2.根据权利要求1所述的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，其特征在于：步骤S2中，确定顺流静态参考波形和逆流静态参考波形，具体包括：

S21.将步骤S1采集的顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动m个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bd，将顺流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动n个采样周期后的时刻作为终止时刻t_ed；

S22.将区间[t_bd,t_ed]中所有时刻对应的顺流静态波形组成的集合作为顺流静态参考波形；

S23.将步骤S1采集的逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向前移动r个采样周期后的时刻作为开始时刻t_bu，将逆流超声波接收信号波形中波形最大峰值对应的时刻向后移动s个采样周期后的时刻作为终止时刻t_eu；

S24.将区间[t_bu,t_eu]中所有时刻对应的逆流静态波形组成的集合作为逆流静态参考波形。

3.根据权利要求1所述的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：

S61.按照步骤S21-S24类推，根据实时采集的第i个顺流超声波接收信号波形和第j个逆流超声波接收信号波形分别得到第i个顺流实时参考波形和第j个逆流实时参考波形；其中，i＝2,3,…,N；j＝2,3,…,N；

S62.确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di；

S63.将实时采集的第i+1个顺流超声波接收信号波形与第i个顺流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_d(i+1)，并确定实时采集的第i+1个顺流超声波的渡越时间；其中，所述第i+1个顺流超声波的渡越时间为t′_d(o+1)+Δt_di；

S64.确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj；

S65.将实时采集的第j+1个逆流超声波接收信号波形与第j个逆流实时参考波形进行互相关计算得到间隔时间t′_u(j+1)，并确定实时采集的第j+1个逆流超声波的渡越时间；其中，所述第j+1个逆流超声波的渡越时间为t′_u(j+1)+Δt_uj。

4.根据权利要求3所述的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，其特征在于：步骤S62中，根据如下公式确定第i个顺流实时参考波形与顺流静态参考波形的时间偏差Δt_di：

其中，t′_bdi为第i个顺流实时参考波形的开始时间；t′_di为第i个顺流超声波接收信号波形与第i-1个顺流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

5.根据权利要求3所述的基于滑动参考波形的超声波渡越时间互相关计算方法，其特征在于：步骤S64中，根据如下公式确定第j个逆流实时参考波形与逆流静态参考波形的时间偏差Δt_uj：

其中，t′_buj为第j个逆流实时参考波形的开始时间；t′_uj为第j个逆流超声波接收信号波形与第j-1个逆流实时参考波形进行互相关计算得到的间隔时间。

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