CN112414481A - 超声波燃气表超声波模块优化方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波燃气表超声波模块优化方法，包括：所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。由此使得超声波燃气表测量更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波燃气表技术领域，具体涉及一种超声波燃气表超声波模块优化方法及其结构。
背景技术
家用超声波燃气表模块包括安装于上下游的一对超声波换能器，交替发射并接收超声波信号，利用顺流与逆流方向超声波信号在气体介质中的传播时间差来计算气体介质的流速，进而计算工况瞬时流量、累计流量。现有技术中的超声波燃气表模块的缺陷如下：采用频率不高，达不到采样需求；超声波模块用于天然气中信号比空气要小3-6倍，信噪比较差，导致信号阈值和过零检测的方法无法使用；超声波模块在不同温度和流量的情况下，波形强度变化较大；温度变化稍大的情况下，超声波换能器的性质变化加大，可能造成零位漂移，这对小流量的测量影响最大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供超声波燃气表超声波模块，以解决现有技术中超声波燃气表测量不准的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了超声波燃气表超声波模块优化方法，包括：
所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；
将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；
将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。
本发明根据乃奎斯特定理，采样率可以设置成换能器工作频率的3～5倍。使用的换能器工作在200kHz，因此采样频率做成1MHz是能够满足要求的，由于成本和运算速度以及硬件资源的限制，设计系统中只有200kHz的基本采样频率，利用短时间内介质超声波换能器的状态不可能突变的原理，通过片上硬件相互配合严格控制时序，实现的等效采样的方式，等效采样频率达到1MHz。
采用数字信号处理的方法来计算时差才能得到正确的结果，使用上下游信号的互相关处理来解决问题，通过最大相关值就可以找到两个信号的时差。
由于采用了相关计算，因此波形的幅值变化就敏感了，克服了信号阈值和过零检测的问题，并且互相关计算实际上也自带滤波作用，相对而言对噪声也就不敏感了，这能够很好地解决目前存在的问题。
那么必须通过其他手段来保证两个波形的对称。基于声电互易原理的换能器匹配提供了解决办法，从而实现信号的对易，从而理论上保证了没有流量时，上游和下游的波形是一样的，从而避免了零位漂移。
所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。在机械机构方面，超声波换能器的安装方式采用L型安装方式，这种安装方式相对于V型反射来说，超声波传输的声程更长，使得超声波的飞行时间具有更精细的分辨率，使得最终得到的流量值的分辨率也更加精细、准确。
所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。
在获取最大相关值时，数字量计算以1us为间隔，采用插值的方法从离散点得到最大相关值。
本发明另一方面还提供了一种超声波燃气表超声波模块结构，包括燃气通道、安装于燃气通道上游的上游超声波换能器、安装于燃气通道下游的下游超声波换能器以及计量板，所述上游超声波换能器、下游超声波换能器分别连接片上系统，上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，等效采样频率为1MHz，上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行匹配。
所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。
所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。
可见，本发明相较于现有的超声波燃气表超声波模块测量更加准确，采样效率高，对噪声不敏感，避免了零位漂移。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中超声波燃气表超声波模块的结构示意图。
图2为系统内控制时序实现等效采样的具体方法示意图。
图3为其中互相关计算处理方法示意图。
上述附图中的有关标记为：
1：上游超声波换能器；
2：下游超声波换能器；
3：燃气通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“片上系统”表示指的是在单个芯片上集成一个完整的系统。
本发明超声波燃气表超声波模块优化方法，包括：
所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；
将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；
将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。
所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。
所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。
如图2，片上系统内控制时序实现等效采样的具体方法为：
首先换能器的使用频率为200kHz，ADC转换器的最大采样率为2ksps(5us一次转换)，设计的等效采样率为1Msps(1us一次转换)。
首先，高频定时器从tstart时刻开始计时，并产生激励脉冲驱动发射换能器，然后信号经过一定的时间到达接收换能器，AD转换器从tample时刻开始以2ksps的采样率开始第一次采样，在tover时间结束采样。
由此得到：
tample、tample+5us、tample+10us、tample+15us……这些时刻的信号AD值。
由于换能器信号是200kHz主频率，因此2ksps的采样率肯定是无法满足来奎斯特定理的。
因此我们再收发一次重复上述步骤，第二次采样，但整个采样时间段时间由高频时钟延迟一个等效采样周期Δt＝1us时间后才开始：
因此得到：
tample+1us、tample+6us、tample+11us、tample+16us……这些时刻的信号AD值。
再将延迟设置2Δt＝2us，得到：
tample+2us、tample+7us、tample+12us、tample+17us……这些时刻的信号AD值。
依此类推，依次得到：
tample+3us、tample+8us、tample+13us、tample+18us……这些时刻的信号AD值。
tample+4us、tample+9us、tample+14us、tample+19us……这些时刻的信号AD值。
假设在短时间内信号不会剧烈地变换，则把以上几次收发的数据结合起来，得到：
tample、tample+1us、tample+2us、tample+3us、tample+4us、tample+5us、tample+6us、tample+7us、tample+8us、tample+9us、tample+10us、tample+11us……一系列的信号AD采样值，这样就利用转换速率仅有200ksps的ADC转换器实现了1Msps等效采样。
其中互相关计算处理具体方法为：如图3所示
由于顺逆信号具有相似性，因此我们利用顺逆信号之间的相关性来计算顺逆信号的时间差，这种办法利用众多的采样点的信息，比传统的过零检测法更健壮更稳定。
顺向信号的等效采样序列为r1[i]，逆向信号的等效采样序列为r2[i]，等效采样率为f，采样点数N。
首先计算离散的相关性序列：
上式中m是程序中预先设置好的最搜索范围，计算中当r1[i]，r2[i]的下表超出采样点时按0计算。
这样我们在
范围内搜索使得相关性Corr[k]最大的k值，记作
这样我们得到了离散的最大相关值，离散计算只能精确到1us，无法满足使用要求，因此使用，插值估计离散最大相关值于真正的最大相关值之间的偏差。
他们之间的位置示意图由图2给出：
真正的最大相关值Corr[t]_max，与Z0相距δ，只要估计出δ，问题就解决了。由于我们的信号包含了大量的200kHz信号频率，因此我们使用如下的三角函数插值更好，插值模型为：
在Z0处规定t＝0，在Z-1处规定t＝-1，在Z1处规定t＝1，
利用三角公式可得：
所以从离散的结果我们得到顺逆信号之间的延时估计值：
这样就得到了顺逆延时(时差)的估计值。
在获取最大相关值时，数字量计算以1us为间隔，采用插值的方法从离散点得到最大相关值。
声电互易进行换能器匹配的具体方法为：匹配的方法就是电路的发射端的输出电阻和接收端的输入电阻保持为固定值且相等。
方法的原理是基于声电互易原理：
线性、无源、可逆的同一个换能器分别作为接收器和发射器时：其电压接收灵敏度＝电流发射灵敏度。
通过介质的均匀假设可以推导出，一对换能器A和B，当发射端的输出电阻和接收端的输入电阻相等时，且没有流量时：理论上A发射B接收到的波形，以及B发射A接收的波形是一摸一样的。
因此即使A与B的工艺上达不到一模一样，或温度变化引起了两者性能变动，抑或时间老化引起两者的性能变动，该匹配方法都有极强的零漂抑制效果。
本发明另一方面还提供了一种超声波燃气表超声波模块结构，包括燃气通道、安装于燃气通道上游的上游超声波换能器、安装于燃气通道下游的下游超声波换能器以及计量板，所述上游超声波换能器、下游超声波换能器分别连接片上系统，上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，等效采样频率为1MHz，上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行匹配。
所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道。
所述上游超声波换能器设置在燃气通道上游进气口、所述下游超声波换能器设置在燃气通下游道壁外侧。
如图1所示，上游超声波换能器1设置于燃气通道3的燃气通道上游进气口，下游超声波换能器2设置于燃气通道3的下游处的通道壁外侧，上游超声波换能器与下游超声波换能器为L型位置关系设置在燃气通道3上。
本发明在研发过程中发现：
第一，微小时差的测量，初步测试表明在长度10cm，16mm口径的管道中，时差1ns大致代表1～2L/h(天然气和空气中不一样)，如此微小的时差分辨率，即使按照1G的采样频率来采样也未必能达到需求，如何达到高的采样频率。虽然信号阈值和过零检测方案实施起来简单方便，但在气体应用上缺点太多，难以适应应用场景，因此要靠率基于信号采样的办法。根据乃奎斯特定理，采样率可以设置成换能器工作频率的3～5倍。我们使用的换能器工作在200kHz，因此采样频率做成1MHz是能够满足要求的。由于成本和运算速度以及硬件资源的限制，设计系统中只有200kHz的基本采样频率，利用短时间内介质超声波换能器的状态不可能突变的原理，通过片上硬件相互配合严格控制时序，实现的等效采样的方式，等效采样频率达到1MHz。这是本发明解决的技术问题之一。
第二，超声模块用于气体中工作，特别是在天然气中，信号比空气还要小3～6倍，因此信噪比较差，因此信号阈值和过零检测的方法无法使用，天然气中的信号很弱，不容易处理，除非提高换能器的激励，而在超声模块中是3V供电，并且要求极低的功耗，并且即使激励提高两三倍效果也没有明显的提升，因此采用数字信号处理的方法来计算时差才能得到正确的结果，使用上下游信号的互相关处理来解决问题，通过最大相关值就可以找到两个信号的时差。由于采样率只有1MHz，因此数字量计算以1us为间隔，采用插值的方法可以从离散点得到最大相关值的估计。这是本发明技术方案解决的技术问题之二。
第三，超声模块在不同的温度和流量条件下，波形的强度变化较大，和水表的情况大不相同，信号阈值和过零检测根本就没有办法应用。由于采用了相关计算，因此波形的幅值变化就敏感了，克服了信号阈值和过零检测的问题，并且互相关计算实际上也自带滤波作用，相对而言对噪声也就不敏感了，这能够很好地解决目前存在的问题。这是本发明解决的技术问题之三。
第四，温度变化稍大的情况下，超声波换能器的性质变化加大，可能造成零位漂移，这对小流量的测量影响最大。零位漂移是由于上下游接收到的波形不对称造成的，换能器的特性不可能完全一致，因此这是不可避免的，那么必须通过其他手段来保证两个波形的对称。基于声电互易原理的换能器匹配提供了解决办法，从而实现信号的对易，从而理论上保证了没有流量时，上游和下游的波形是一样的。这是本发明解决的技术问题之四。
第五，本发明超声波换能器的安装方式采用L型安装方式，这种安装方式相对于V型反射来说，超声波传输的声程更长，使得超声波的飞行时间具有更精细的分辨率，使得最终得到的流量值的分辨率也更加精细、准确。这是本发明解决的技术问题之五。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.超声波燃气表超声波模块优化方法，其特征在于，包括：
所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；
将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；
将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。
2.如权利要求1所述的超声波燃气表超声波模块优化方法，其特征在于，所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。
3.如权利要求1所述的超声波燃气表超声波模块优化方法，其特征在于，所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。
4.如权利要求1所述的超声波燃气表超声波模块优化方法，其特征在于，在获取最大相关值时，数字量计算以1us为间隔，采用插值的方法从离散点得到最大相关值。
5.超声波燃气表超声波模块结构，其特征在于，包括燃气通道、安装于燃气通道上游的上游超声波换能器、安装于燃气通道下游的下游超声波换能器以及计量板，所述上游超声波换能器、下游超声波换能器分别连接片上系统，上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，等效采样频率为1MHz，上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行匹配。
6.如权利要求5所述的超声波燃气表超声波模块结构，其特征在于，所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。
7.如权利要求5所述的超声波燃气表超声波模块结构，其特征在于，所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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