CN112304375B - 一种超声波流量传感器及其流量测量方法 - Google Patents

一种超声波流量传感器及其流量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波流量传感器及其流量测量方法。超声波流量传感器包括用于计算超声波顺逆流传播时间的模拟信号处理电路，采用阈值法处理正常工况下的超声波信号；还包括用于计算超声波顺逆流传播时间的数字信号处理电路，采用相关法处理异常工况下的超声波信号。本发明结合使用阈值法和相关法进行超声波流量传感器的信号处理和流量计算过程；使用模拟信号处理电路对超声波信号进行阈值比较处理以计算超声波传播时间，保证了流量计算和测量过程具有精度高、响应速度快、实时性好的优点；使用数字信号采集电路对无法用阈值比较电路处理的异常超声波信号进行数字采集，并使用相关法计算流量，使流量计算和测量过程的抗干扰性能提高。

Description

一种超声波流量传感器及其流量测量方法
技术领域
本发明属于超声波流量传感器技术领域，涉及一种超声波流量传感器及其流量测量方法。
背景技术
流体的流速是流体系统的一项基本参数，超声波流量传感器利用超声波在流体的传播速度受到流体流速影响的原理来测量流速，其应用范围广、适用性强、测量精度高、可以广泛地用于包括气体、液体以及固体物质的测量；并且，由于超声波测量无接触、不发热、受介质影响小的特点，超声波流量传感器特别适用于高洁净度、高温、高压、非导电、强腐蚀性、易爆和放射性等特殊介质流量的测量。
采用传播时间差法的超声波流量计也称为时差式超声波流量计，基本的时差式超声波流量计实施方式如附图1所示，在测量管1的对侧设置第一超声换能器2和第二超声换能器3，第一超声换能器2和第二超声换能器3对侧同心设置，超声换能器的轴线与测量管1的轴线成一锐角夹角；位于流体流动上游的第一超声换能器2发射超声波，穿过测量管1内的流体介质后被第二超声换能器3接收，此为超声波的顺流传播过程；位于流体流动下游的第二超声换能器3发射超声波，穿过测量管1内的流体介质后被第一超声换能器2接收，此为超声波的逆流传播过程；超声换能器接收到的超声信号，经过信号采集模块处理后送入数字信号处理模块进行流量计算；超声波的传播在顺流传播过程中被加速而在逆流过程中被减速，超声波传播速度被加速和减速的程度与流体的流速有关，通过测量超声波顺流和逆流的传播时间，可以计算出流体的流速，进而计算出流体的流量。
对于处理超声波信号以获得超声波顺流和逆流传播时间的过程，可以采用阈值法和相关法两种方法检测和计算接收到超声波的时刻，其中阈值法属于模拟信号处理方法，相关法属于数字处理方法。阈值法采用包括激发电路、比较电路和计时芯片三部分的信号处理电路实现，通过信号激发、阈值比较、计时芯片计时三个步骤得到超声波信号的顺逆流传播时间；由于计时芯片计量精度为数十皮秒量级，在电路延时微小和信号稳定的场合下可以有比较高的测量精度和很好的实时性；此种方法可以适用于大部分工况测量；但是，阈值法也存在一定的局限性，例如在管段流体内部出现气泡、颗粒物的情况下，信号幅值会发生严重衰减，此时信号的信噪比变差，信号难以进行阈值比较甚至出现处理错误。而要解决这一局限性，采用相关法可以解决阈值法的这种缺陷，相关法采用包括采样模块的信号处理电路，采集顺逆流波形，使用波形数据进行互相关运算得到顺逆流的传播时间，理论上可以获得很高的精度；但在诸如液体超声波流量传感器中，由于超声波在液体中传播速度很高，而且信号传播路程短，因此需要很高的采样率才能保证较高的精度，高采样率会显著增加信号处理的计算量，影响实时性。因此，现有技术中缺少兼具高精度、高实时性以及强抗干扰能力的超声波流量传感器及流量测量方法。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明提供一种超声波流量传感器及其流量测量方法。本发明涉及的超声波流量传感器包括用于计算超声波顺逆流传播时间的模拟信号处理电路，采用阈值法处理正常工况下的超声波信号；还包括用于计算超声波顺逆流传播时间的数字信号处理电路，采用相关法处理异常工况下的超声波信号。
一种超声波流量传感器，包括信号处理电路，信号处理电路中包括控制器、阈值比较电路、计时芯片和AD采集电路；计时芯片随超声波换能器发射超声波而开始计时；阈值比较电路接收超声波抵达信号，触发计时芯片停止计时；计时芯片根据开始计时和停止计时的时刻计算超声波传播时间；控制器根据计时芯片获得的超声波顺流和逆流传播时间差计算流量；AD采集电路将超声波抵达信号采集为数字信号后送入控制器，控制器对超声波顺流传播和逆流传播的抵达信号的数字信号进行互相关运算后获得超声波顺逆流传播时间差，进而计算流量。
所述信号处理电路包括多路选择器，多路选择器与超声换能器电性连接，控制器向多路选择器发送指令，选择性地使激发电路或信号接收电路与超声换能器电性连接，以切换超声换能器的超声波发射和接收状态。
所述信号处理电路包括差分电路，超声波抵达信号先经过差分电路进行差分处理后再送入AD采集电路进行数字信号采集过程。
所述信号处理电路包括双路选择器，双路选择器同时与差分电路和阈值比较电路电性连接，接收来自差分电路的超声波电信号和来自阈值比较电路的阈值信号，双路选择器受到控制器的控制，按需读取超声波抵达信号和阈值信号并输送至AD采集电路，AD采集电路根据阈值信号对超声波电信号进行选择性地采集，以过滤小幅值的噪声信号。
所述控制器采用ARM架构处理芯片。
所述AD采集电路采用独立的时钟芯片提供时钟信号。
用于上述超声波流量传感器的流量测算方法，包括如下步骤：
A1：控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动上游的超声换能器发射超声波，同时触发计时芯片开始计时；
A2：位于流体流动下游的超声换能器接收到超声波并转换为超声波电信号，超声波电信号送入滤波放大电路进行滤波和幅值放大处理；
A3：经滤波放大后的超声波电信号送入阈值比较电路，进行阈值比较处理，产生触发信号发送至计时芯片；
A4：计时芯片受到触发停止计时，根据开始计时和停止计时的时刻计算超声波顺流传播时间；
A5：类似步骤A1至A4地，控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动下游的超声换能器发射超声波，超声波被位于流体流动上游的超声换能器接收，经过滤波放大、阈值比较和时间计算处理后获得超声波逆流传播时间；
A6：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算流量Q和特征系数S，其中特征系数S是流量Q与超声波顺逆流传播时间差的比值，如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差小于或等于设定值，则认为超声波抵达信号是正常信号，取流量Q为流量计算结果输出；如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差大于设定值，则认为超声波抵达信号是异常信号，则进行步骤B1至B2；
B1：AD采集电路对经步骤A2处理后的超声波电信号采集为数字信号并输送至控制器；
B2：控制器将当前的异常超声波抵达数字信号与上一次正常超声波抵达数字信号进行比较，如果异常信号的幅值大于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是受到跳波现象干扰形成的，进行步骤C1；如果异常信号的幅值小于或等于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是超声波传播受阻形成的，进行步骤D1；
C1：调节滤波放大器，重复步骤A1至A6，直至超声波抵达信号成为正常信号；
D1：超声波顺流传播的发送信号与抵达信号位于第一时间轴，超声波逆流传播的发送信号与抵达信号位于第二时间轴，对齐第一时间轴和第二时间轴的时间零点；
D2：对超声波顺流和逆流的抵达信号进行归一化处理，然后对二者进行互相关运算，获得超声波顺流和逆流传播的时间差；
D3：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算修正流量Q1和特征系数S，取修正流量Q1为流量计计算结果输出。
在步骤B1中，按设定阈值对超声波抵达信号进行噪声过滤后再送入AD采集电路进行数字采集。
在步骤A6或D3中，根据连续的多组顺流和逆流传播的时间差分别计算流量并取流量平均值作为最终输出的流量Q或修正流量Q1。本发明结合使用阈值法和相关法进行超声波流量传感器的信号处理和流量计算过程；使用模拟信号处理电路对超声波信号进行阈值比较处理以计算超声波传播时间，保证了流量计算和测量过程具有精度高、响应速度快、实时性好的优点；使用数字信号采集电路对无法用阈值比较电路处理的异常超声波信号进行数字采集，并使用相关法计算流量，使流量计算和测量过程的抗干扰性能提高；因此，本发明公开的超声波流量传感器及流量计算方法兼具高精度、实时性好和抗干扰能力强的优点。
附图说明
图1为现有的超声波流量计结构示意图；
图2为本发明涉及的超声波流量传感器的信号处理电路示意图；
图3为本发明涉及的流量测量方法流程图；
图4为本发明涉及的一种阈值比较原理图；
图5为超声波流量计算中的跳波现象示意图；
图6为传播过程受到阻的超声波抵达信号示意图；
图7为本发明涉及的流量测量方法中的相关法处理示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种超声波流量传感器，包括信号处理电路，信号处理电路中包括控制器，控制器与激发电路电性连接，激发电路与一对超声换能器3电性连接并且可以激发其中任一超声换能器3发射超声波，同时触发计时芯片开始计时；一对超声换能器3还与滤波放大电路电性连接，将接收到的超声信号传递至滤波放大电路；超声波换能器3即可以受电信号激发发射超声波，也可以接受超声波转换为电信号；可以设置多路选择器，控制器、激发电路和滤波放大电路均与多路选择器电性连接，一对超声换能器3仅与多路选择器电性连接，控制器向多路选择器发送通道控制信号，使超声换能器3选择性地接入激发电路或者滤波放大电路，以便切换超声波发射和接收功能；滤波放大电路与阈值比较电路电性连接，阈值比较电路与计时芯片电性连接，超声换能器3接收到超声信号后转换为电信号传递至滤波放大电路，经过滤波放大处理后传递至阈值比较电路进行阈值比较处理，如果获取到超声波抵达信号，则触发计时芯片停止计时，计时芯片比较开始和停止计时的时刻获得超声波的传播时间，并传递至控制器。激发电路、滤波放大电路、阈值比较电路和计时芯片构成信号处理电路的模拟信号处理电路。
本发明涉及的超声波流量传感器的信号处理电路还包括数字信号采集电路，数字信号采集电路包括AD采集电路，接收来自滤波放大电路的超声波电信号并处理为数字信号；可选地，设置差分电路，滤波放大电路处理后的信号可以先送入差分电路进行差分处理后再送入双路选择器，可以提高AD采集过程的输入信号质量；可选地，可以设置缓冲器，AD采集电路获得的超声波数字信号送入缓冲器缓存，再由控制器根据需要读取；可选地，于差分电路和AD采集电路之间设置双路选择器，双路选择器同时与差分电路和阈值比较电路电性连接，接收来自差分电路的超声波电信号和来自阈值比较电路的阈值信号，双路选择器受到控制器的控制，按需读取超声波电信号和阈值信号并输送至AD采集电路，AD采集电路根据阈值信号对超声波电信号进行选择性地读取，以过滤小幅值的噪声信号，减少后续信号处理中的数据量。
控制器根据超声波顺逆流传播过程中模拟信号处理电路输出的超声波顺逆流传播时间计算流量；或者对数字信号采集电路获得的超声波数字信号进行互相关计算获得超声波顺逆流传播时间，再根据超声波顺逆流传播时间计算流量。
优选地，控制器采用ARM架构处理芯片，例如型号为STM32F407的芯片，其最高主频为168M，指令周期短，且搭载有FPU浮点计算单元，能够保证数字信号处理的性能；优选地，AD采集电路采用独立的时钟芯片提供时钟信号，以避免和计时芯片的时钟信号发生冲突。
如图3所示，本发明涉及的一种超声波流量传感器的流量测量方法，包括如下步骤：
A1：控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动上游的超声换能器发射超声波，同时触发计时芯片开始计时；
A2：位于流体流动下游的超声换能器接收到超声波并转换为超声波电信号，超声波电信号送入滤波放大电路进行滤波和幅值放大处理；
A3：经滤波放大后的超声波电信号送入阈值比较电路，进行阈值比较处理，产生触发信号发送至计时芯片；
A4：计时芯片受到触发停止计时，根据开始计时和停止计时的时刻计算超声波顺流传播时间；
A5：类似步骤A1至A4地，控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动下游的超声换能器发射超声波，超声波被位于流体流动上游的超声换能器接收，经过滤波放大、阈值比较和时间计算处理后获得超声波逆流传播时间；
A6：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算流量Q和特征系数S，其中特征系数S是流量Q与超声波顺逆流传播时间差的比值，如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差小于或等于设定值，则认为超声波抵达信号是正常信号，取流量Q为流量计算结果输出；如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差大于设定值，则认为超声波抵达信号是异常信号，则进行步骤B1至B2；
B1：AD采集电路对经步骤A2处理后的超声波电信号采集为数字信号并输送至控制器；
B2：控制器将当前的异常超声波抵达数字信号与上一次正常超声波抵达数字信号进行比较，如果异常信号的幅值大于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是受到跳波现象干扰形成的，进行步骤C1；如果异常信号的幅值小于或等于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是超声波传播受阻形成的，进行步骤D1；
C1：调节滤波放大器，重复步骤A1至A6，直至超声波抵达信号成为正常信号；
D1：超声波顺流传播的发送信号与抵达信号位于第一时间轴，超声波逆流传播的发送信号与抵达信号位于第二时间轴，对齐第一时间轴和第二时间轴的时间零点；
D2：对超声波顺流和逆流的抵达信号进行归一化处理，然后对二者进行互相关运算，获得超声波顺流和逆流传播的时间差；
D3：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算修正流量Q1和特征系数S，取修正流量Q1为流量计计算结果输出。
参考图4解释上述步骤A3中所述的阈值比较处理，在一次超声波激发和发射过程中，超声波的波峰和波谷的幅值逐渐增大至最大值然后衰减；因此超声换能器接收并转化送入阈值比较电路的超声波抵达信号是一个波形呈纺锤形包络的类正弦信号；为了排除噪声信号，一般在阈值比较电路中设置一个阈值电压，例如对于超声波波峰最大电压为800mV时设置该电压的1/4(也即200mV)为阈值电压，当超声波抵达信号的波峰幅值首次高于阈值电压时，认为接收到了超声波抵达信号，取超声波抵达信号的波峰幅值首次等于阈值电压时的时刻为超声波到达时刻，将超声波到达时刻与计时芯片中记录的超声波发送时刻进行比较，可以计算获得超声波的传播时间；另一种可靠性更高的阈值比较方法是在比较超声波抵达信号波峰幅值与阈值电压的同时记录超声波抵达信号穿过幅值零轴的过零点的时刻，当检测到超声波抵达信号的波峰幅值首次高于阈值电压时，记录随后产生的多个过零点t1、t2、t3、t4、t5……的时刻，分别与超声波发射时刻比较计算获得多个过零点时间，进行平均后记为超声波信号的传播时间。
获得超声波顺流和逆流的传播时间后，计算顺逆流传播时间差Δt，
Figure BDA0002744677840000081
Figure BDA0002744677840000082
其中D为管壁的直径，v为测量管内流体流速，c为超声波在流体中的声速，θ为超声波传播路径与测量管轴线之间的夹角，考虑到v相对于c是一个小量，可以认为
Figure BDA0002744677840000083
则流体流速为
Figure BDA0002744677840000084
流体流量为
Figure BDA0002744677840000085
其中K为流量传感器标定后获得的流量校正系数；记特征参数
Figure BDA0002744677840000086
则有Q＝S·Δt。对于一定工况下的流量传感器，特征参数S应当是固定值；如果考虑温度对超声波在流速中的声速的影响，特征参数S可能会随温度的变化而缓慢变化，但由于温度变化的惯性，特征参数S不会发生突变；因此，将当前流量计算过程中获得的特征参数S数值与上一次流量计算过程后存储的数值进行比较，如果二者基本相等，也即二者之差小于或等于一个设定值，可以认为超声波抵达信号是正常信号，而如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差大于设定值，也即特征系数S发生了突变，则认为超声波抵达信号是异常信号。
参考图5，在超声波传播过程和信号处理过程中可能受到外界干扰，导致超声波抵达信号中某几个波峰的幅值没有符合纺锤形包络，会使阈值比较电路滞后一个或数个波峰才检测到幅值高于阈值电压的波峰，造成记录到的超声波抵达时刻延迟，从而使计算获得的超声波传播时间偏大，此为超声波流量计算中的“跳波”现象，跳波现象一般会造成超声波抵达信号的波形发生改变。调节滤波放大器中有源滤波器、有源放大器等器件的工作参数，可以改善滤波放大处理后的超声波信号质量，从而消除跳波现象。
参考图6，在超声波传播途中可能会受到流体中的气泡或颗粒物等阻挡，导致超声波抵达信号的幅值显著减小和相位滞后，不能正常触发阈值比较电路记录超声波抵达时刻。不过，这种超声波受阻挡造成的异常超声波抵达信号的波形一般不会发生明显改变，仍然为呈纺锤形包络的类正弦信号。如图7所示，由于传播过程受到阻挡，超声波顺流传播抵达信号4与正常信号相比存在时延σ1，超声波逆流传播抵达信号5与正常信号相比存在时延σ2；由于超声波顺流和逆流传播过程一般间隔时间很短，可以认为阻挡因素在超声波完成一对顺流和逆流传播的过程中不发生改变，对顺流传播和逆流传播造成的时延σ1和σ2相等；将超声波顺流和逆流传播的时间轴的零点对齐，对超声波抵达信号的数字信号进行归一化处理，调整超声波顺流传播抵达信号4和超声波逆流传播抵达信号5的幅值基本相等，再对超声波顺流传播抵达信号4和超声波逆流传播抵达信号5进行公知的互相关运算，可以获得超声波顺流和逆流传播的时间差Δt，根据时间差Δt可以计算出修正流量Q1。
优选地，可以按一个设定阈值滤除超声波抵达信号中的噪声信号后再进行数字采集，例如设定以峰峰值50mV为阈值滤除噪声信号，这样可以获得如图7所示的低噪声信号，有利于减小后续归一化处理和互相关运算的计算量，有利于保证流量计算的实时性。
以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种超声波流量传感器，其特征在于：包括信号处理电路，信号处理电路包括控制器、模拟信号处理电路和数字信号采集电路；其中模拟信号处理电路包括阈值比较电路和计时芯片，数字信号采集电路包括AD采集电路；计时芯片随超声波换能器发射超声波而开始计时；阈值比较电路接收超声波抵达信号，触发计时芯片停止计时；计时芯片根据开始计时和停止计时的时刻计算超声波传播时间；控制器根据计时芯片获得的超声波顺流和逆流传播时间差计算流量；AD采集电路将超声波抵达信号采集为数字信号后送入控制器，控制器对超声波顺流传播和逆流传播的抵达信号的数字信号进行互相关运算后获得超声波顺逆流传播时间差，进而计算流量。
2.如权利要求1所述的一种超声波流量传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括多路选择器，多路选择器与超声换能器电性连接，控制器向多路选择器发送指令，选择性地使激发电路或信号接收电路与超声换能器电性连接，以切换超声换能器的超声波发射和接收状态。
3.如权利要求2所述的一种超声波流量传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括差分电路，超声波抵达信号先经过差分电路进行差分处理后再送入AD采集电路进行数字信号采集过程。
4.如权利要求3所述的一种超声波流量传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括双路选择器，双路选择器同时与差分电路和阈值比较电路电性连接，接收来自差分电路的超声波电信号和来自阈值比较电路的阈值信号，双路选择器受到控制器的控制，按需读取超声波抵达信号和阈值信号并输送至AD采集电路，AD采集电路根据阈值信号对超声波电信号进行选择性地采集，以过滤小幅值的噪声信号。
5.如权利要求1所述的一种超声波流量传感器，其特征在于：所述控制器采用ARM架构处理芯片。
6.如权利要求1、3或4中任意权利要求所述的一种超声波流量传感器，其特征在于：所述AD采集电路采用独立的时钟芯片提供时钟信号。
7.一种超声波流量传感器的流量测算方法，其特征在于：包括如下步骤：
A1：控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动上游的超声换能器发射超声波，同时触发计时芯片开始计时；
A2：位于流体流动下游的超声换能器接收到超声波并转换为超声波电信号，超声波电信号送入滤波放大电路进行滤波和幅值放大处理；
A3：经滤波放大后的超声波电信号送入阈值比较电路，进行阈值比较处理，产生触发信号发送至计时芯片；
A4：计时芯片受到触发停止计时，根据开始计时和停止计时的时刻计算超声波顺流传播时间；
A5：类似步骤A1至A4地，控制器向激发电路发出信号，激发电路发送电信号激发位于流体流动下游的超声换能器发射超声波，超声波被位于流体流动上游的超声换能器接收，经过滤波放大、阈值比较和时间计算处理后获得超声波逆流传播时间；
A6：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算流量Q和特征系数S，其中特征系数S是流量Q与超声波顺逆流传播时间差的比值，如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差小于或等于设定值，则认为超声波抵达信号是正常信号，取流量Q为流量计算结果输出；如果特征系数S在本次流量计算过程中的数值与上一次流量计算过程后存储的数值之差大于设定值，则认为超声波抵达信号是异常信号，则进行步骤B1至B2；
B1：AD采集电路对经步骤A2处理后的超声波电信号采集为数字信号并输送至控制器；
B2：控制器将当前的异常超声波抵达数字信号与上一次正常超声波抵达数字信号进行比较，如果异常信号的幅值大于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是受到跳波现象干扰形成的，进行步骤C1；如果异常信号的幅值小于或等于正常信号幅值的2/3，则认为异常信号是超声波传播受阻形成的，进行步骤D1；
C1：调节滤波放大器，重复步骤A1至A6，直至超声波抵达信号成为正常信号；
D1：超声波顺流传播的发送信号与抵达信号位于第一时间轴，超声波逆流传播的发送信号与抵达信号位于第二时间轴，对齐第一时间轴和第二时间轴的时间零点；
D2：对超声波顺流和逆流的抵达信号进行归一化处理，然后对二者进行互相关运算，获得超声波顺流和逆流传播的时间差；
D3：根据超声波顺流和逆流传播的时间差计算修正流量Q1和特征系数S，取修正流量Q1为流量计计算结果输出。
8.如权利要求7所述的一种超声波流量传感器的流量测算方法，其特征在于：在步骤B1中，按设定阈值对超声波抵达信号进行噪声过滤后再送入AD采集电路进行数字采集。
9.如权利要求7所述的一种超声波流量传感器的流量测算方法，其特征在于：在步骤A6或D3中，根据连续的多组顺流和逆流传播的时间差分别计算流量并取流量平均值作为最终输出的流量Q或修正流量Q1。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113029263B (zh) * 2021-03-24 2021-11-16 成都千嘉科技有限公司 基于样本方差剔除误差的燃气损失流量测定方法及系统
CN113558659B (zh) * 2021-07-30 2023-07-04 重庆安酷科技有限公司 一种高精度超声波肺功能检测仪及其检测方法
CN113739728A (zh) * 2021-08-31 2021-12-03 华中科技大学 一种电磁超声回波声时计算方法及其应用
CN115586738A (zh) * 2022-11-25 2023-01-10 成都千嘉科技股份有限公司 一种超声波流量计的开关电路及其控制方法
CN117783571B (zh) * 2024-02-27 2024-06-04 山西阳光三极科技股份有限公司 一种超声波风速仪的工作电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102116652A (zh) * 2011-02-18 2011-07-06 福建恒劲科博测控技术有限公司 微波流量计
CN106092229A (zh) * 2016-06-16 2016-11-09 浙江大学 针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置
CN106871980A (zh) * 2017-02-13 2017-06-20 合肥工业大学 基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统
CN109029598A (zh) * 2018-06-15 2018-12-18 浙江大学 一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法
CN109297550A (zh) * 2018-09-21 2019-02-01 浙江大学 基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102116652A (zh) * 2011-02-18 2011-07-06 福建恒劲科博测控技术有限公司 微波流量计
CN106092229A (zh) * 2016-06-16 2016-11-09 浙江大学 针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置
CN106871980A (zh) * 2017-02-13 2017-06-20 合肥工业大学 基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统
CN109029598A (zh) * 2018-06-15 2018-12-18 浙江大学 一种互相关法气体超声波流量计中基于主次包络结合处的参考波形选取方法
CN109297550A (zh) * 2018-09-21 2019-02-01 浙江大学 基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《利用互易性电路降低气体超声波流量计零点误差》;杨继;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20180630(第6期);C028-156 *
《基于小波能量元和改进双阈值函数的微流控》;蔡佳辉等;《传感技术学报》;20181231;第31卷(第12期);1862-1868 *

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