CN112414483A - 一种超声波水表计量信号采集自适应方法 - Google Patents

一种超声波水表计量信号采集自适应方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波水表计量信号采集自适应方法，包括主控制模块、信号发送模块、信号接收模块和信号滤波放大模块；主控制模块可生成一定频率的方波信号，同时可控制发送通道打开把生成的方波信号经过信号发送模块转换为超声波向固定的方向辐射传播，经过计算得到超声波的传播时间，根据传播时间打开接收通道，辐射传播的超声波被信号接收模块捕获并转换为电信号（回波信号），回波信号经过信号滤波放大模块的滤波放大最终由主控制模块进行采集对信号进行还原，通过特定的算法对回波信号采集结果进行分析，预测下次回波信号出现的位置，自动调节下次信号采集的相关参数，使得采集到的回波信号总是处于最优状态。

Description

一种超声波水表计量信号采集自适应方法
技术领域
本发明涉及水表技术领域，尤其涉及一种超声波水表计量信号采集自适应方法。
背景技术
随着智慧城市建设的不断推进，加快了智慧水务的发展，智能电子水表逐渐将替代传统机械水表，促使水表朝着更安全、更可靠、更智能的方向发展；智能电子水表的主要功能为以下几个方面，计量（超声、有磁计量和无磁计量）、远程通信（计量数据上传）和本地通信（配置参数）。其中超声波计量为当前较为先进的计量技术，其计量精度高、重复性好，可支持正反向计量，特别在滴水计量方面有十分突出的优势。但是超声波计量相对于有磁计量与无磁计量其技术难度更高，特别是在换能器一致性设计、流道设计、信号处理和数据分析上难度十分大。
信号处理为超声波计量中一个十分重要的组成部分，信号处理方法的优劣直接影响到计量接收信号的还原度、精确度和处理效率，从而影响到超声波水表的量程比、准确度和功耗等性能参数。当前的信号处理技术主要有以下两种：一、根据大量的测试数据总结经验参数，固化到系统中；二、根据环境变量建立相关的模型，当环境变量发生改变时相应的参数根据建立好的模型进行修改调整，以上两种技术有以下缺点：
（1）经验参数无法适应特殊情况，容易出现异常；
（2）根据环境变量建立模型需要传感器对环境变量进行测量，增加了成本；无论是经验参数或者建立模型都需要进行大量的测试总结相关经验，工作量大。
发明内容
对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够解决传统信号采集方案中需要建模和总结测试经验工作量大的问题，同时本发明是基于信号采集结果进行分析自动调整，不需要额外增加传感器，节省成本的超声波水表计量信号采集自适应方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声波水表计量信号采集自适应方法，包括主控制模块、信号发送模块、信号接收模块和信号滤波放大模块；主控制模块可生成一定频率的方波信号，同时可控制发送通道打开把生成的方波信号经过信号发送模块转换为超声波向固定的方向辐射传播，经过计算得到超声波的传播时间，根据传播时间打开接收通道，辐射传播的超声波被信号接收模块捕获并转换为电信号（回波信号），回波信号经过信号滤波放大模块的滤波放大最终由主控制模块进行
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
采集对信号进行还原。
进一步的，所述发送的信号由主控制模块生成经过信号发送模块的换能器转换为超声波发送出去，信号接收模块接收到的超声波信号经过换能器转换为电信号由主控制模块进行采集。
进一步的，具体总体流程为主控制模块生成脉冲信号通过发送模块转换为超声波信号发送，发送完成启动定时器定时时间为
Figure 132935DEST_PATH_IMAGE002
，定时时间到达后唤醒系统打开接收通道接收信号，并且进行
Figure 586176DEST_PATH_IMAGE001
采样还原回波信号，采样持续时间为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，采样结束后对采样信号数据进行分析估算下次信号采样启动时间和信号采样持续时间以获得最佳信号，较好的信号采集效果和较差的信号采集效果。
进一步的，所述信号采样启动时间计算算法为：首先主控模块生成n个中心频率为f的脉冲信号，同时开启发送通道，脉冲信号经信号发送模块转换为超声波向固定的方向传播，到此完成信号发送工作。然后根据上次的
Figure 324325DEST_PATH_IMAGE004
（上行飞行时间）和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（下行飞行时间），若第一次采集则取理想参数，计算平均飞行时间
Figure 765670DEST_PATH_IMAGE006
,根据脉冲个数n和中心频率f计算中心回波时间，结合上次的
Figure 425322DEST_PATH_IMAGE003
（信号采样持续时间）可根据公式计算得出本次的信号采样启动时间
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
。
进一步的，所述信号采样持续时间计算算法为：根据上次回波信号
Figure 977526DEST_PATH_IMAGE001
采样数据使用过零判断法计算实际有效信号周期个数
Figure 570181DEST_PATH_IMAGE008
，实际有效信号时间
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，本次的信号采样持续时间
Figure 385690DEST_PATH_IMAGE010
，即每次信号持续采样时间有效信号到来前提前0.6倍开始启动
Figure 827911DEST_PATH_IMAGE001
采样，有效回波信号采集完成后延后0.6倍结束adc采样，保证都能够采集到完整的有效信号并且功耗可控。
与现有技术相比，本发明的有点在于，本发明通过特定的算法对回波信号采集结果进行分析，预测下次回波信号出现的位置，自动调节下次信号采集的相关参数，使得采集到的回波信号总是处于最优状态；降低了产品研发设计的工作量；基于采集结果进行数据分析无需额外的传感器辅助，降低了成本；提高了产品的可靠性和兼容性；使得信号采集总是处于最优状态。
附图说明
图1为本发明超声波水表计量信号采集模块框图；
图2为本发明超声波传播示意图；
图3为本发明超声波信号采集流程图；
图4为本发明信号采集效果图；
图5为本发明信号采样启动时间计算流程图一；
图6为本发明信号采样启动时间计算流程图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
一种超声波水表计量信号采集自适应方法，的主要模块有主控制模块、信号发送模块、信号接收模块和信号滤波放大模块。主控制模块可生成一定频率的方波信号，同时可控制发送通道打开把生成的方波信号经过信号发送模块转换为超声波向固定的方向辐射传播。经过计算得到超声波的传播时间，根据传播时间打开接收通道，辐射传播的超声波被信号接收模块捕获并转换为电信号（回波信号），回波信号经过信号滤波放大模块的滤波放大最终由主控制模块进行
Figure 590330DEST_PATH_IMAGE001
采集对信号进行还原。
发送的信号由主控制模块生成经过信号发送模块的换能器转换为超声波发送出去，信号接收模块接收到的超声波信号经过换能器转换为电信号由主控制模块进行采集。在理想环境下超声波的传播时间（飞行时间）有
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 303071DEST_PATH_IMAGE012
为超声波传播的路程，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为超声波传播的速度。由于超声波水表计量的流道固定不变，因此超声波的传播的路径不变，但是由于超声波的传播速度与温度、压力和介质密度等相关，
Figure 820640DEST_PATH_IMAGE013
会发生变化，因此其传播时间
Figure 454884DEST_PATH_IMAGE014
发生相应的变化。
超声波信号发送后接收端为了准确的接收到回波信号，因此需要计算一个合适的信号采样启动时间，并且设定一个合适的信号采样持续时间，对接收的回波信号进行采集。若信号采样启动时间设定过早、过晚或者采集持续时间设定太短，则有可能错过超声波信号造成信号采集失败，即使能采集到有效信号也有可能由于采集到的信号不完整、有效信号滞后而造成准确度不佳或者功耗增加等不良后果。
为了每次都能采集到最优的超声波回波信号，因此打开接收通道开始进行采集的时间与信号采样持续时间都需要进行动态的调整，以适应系统参数（环境）变化造成的影响。由于环境温度、压力不会发生突变，因此可以通过对每次接收的回波信号进行分析，识别当前采集到有效信号的位置，预测下次开启接收通道进行
Figure 817732DEST_PATH_IMAGE001
采集的时间，并且评估信号采样持续时间阈值是否最优，从而实现水表计量信号采集的自适应调整，其流程如图3所示。
关于超声波信号采集自适应的总体流程为主控制模块生成脉冲信号通过发送模块转换为超声波信号发送，发送完成启动定时器定时时间为
Figure 853821DEST_PATH_IMAGE002
，定时时间到达后唤醒系统打开接收通道接收信号，并且进行
Figure 11133DEST_PATH_IMAGE001
采样还原回波信号，采样持续时间为
Figure 929411DEST_PATH_IMAGE003
，采样结束后对采样信号数据进行分析估算下次信号采样启动时间和信号采样持续时间以获得最佳信号，较好的信号采集效果和较差的信号采集效果如图4所示。
信号采样启动时间计算算法如图5所示，首先主控模块生成n个中心频率为f的脉冲信号，同时开启发送通道，脉冲信号经信号发送模块转换为超声波向固定的方向传播，到此完成信号发送工作。然后根据上次的
Figure 33633DEST_PATH_IMAGE004
（上行飞行时间）和（下行飞行时间），若第一次采集则取理想参数，计算平均飞行时间,根据脉冲个数n和中心频率f计算中心回波时间
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，结合上次的
Figure 455387DEST_PATH_IMAGE003
（信号采样持续时间）可根据公式计算得出本次的信号采样启动时间
Figure 550644DEST_PATH_IMAGE007
。
信号采样持续时间计算算法如图6所示，根据上次回波信号
Figure 690639DEST_PATH_IMAGE001
采样数据使用过零判断法计算实际有效信号周期个数
Figure 598552DEST_PATH_IMAGE008
，实际有效信号时间
Figure 405971DEST_PATH_IMAGE009
，本次的信号采样持续时间
Figure 108348DEST_PATH_IMAGE010
，即每次信号持续采样时间有效信号到来前提前0.6倍开始启动
Figure 1217DEST_PATH_IMAGE001
采样，有效回波信号采集完成后延后0.6倍结束adc采样，保证都能够采集到完整的有效信号并且功耗可控。

Claims (5)

1.一种超声波水表计量信号采集自适应方法，其特征在于，包括主控制模块、信号发送模块、信号接收模块和信号滤波放大模块；主控制模块可生成一定频率的方波信号，同时可控制发送通道打开把生成的方波信号经过信号发送模块转换为超声波向固定的方向辐射传播，经过计算得到超声波的传播时间，根据传播时间打开接收通道，辐射传播的超声波被信号接收模块捕获并转换为电信号（回波信号），回波信号经过信号滤波放大模块的滤波放大最终由主控制模块进行采集对信号进行还原。
2.根据权利要求1所述的一种超声波水表计量信号采集自适应方法，其特征在于，所述发送的信号由主控制模块生成经过信号发送模块的换能器转换为超声波发送出去，信号接收模块接收到的超声波信号经过换能器转换为电信号由主控制模块进行采集。
3.根据权利要求1所述的一种超声波水表计量信号采集自适应方法，其特征在于，具体总体流程为主控制模块生成脉冲信号通过发送模块转换为超声波信号发送，发送完成启动定时器定时时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，定时时间到达后唤醒系统打开接收通道接收信号，并且进行采样还原回波信号，采样持续时间为
Figure 301885DEST_PATH_IMAGE002
，采样结束后对采样信号数据进行分析估算下次信号采样启动时间和信号采样持续时间以获得最佳信号，较好的信号采集效果和较差的信号采集效果。
4.根据权利要求3所述的一种超声波水表计量信号采集自适应方法，其特征在于，所述信号采样启动时间计算算法为：首先主控模块生成n个中心频率为f的脉冲信号，同时开启发送通道，脉冲信号经信号发送模块转换为超声波向固定的方向传播，到此完成信号发送工作，
然后根据上次的
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（上行飞行时间）和（下行飞行时间），若第一次采集则取理想参数，计算平均飞行时间
Figure 464138DEST_PATH_IMAGE004
,根据脉冲个数n和中心频率f计算中心回波时间
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，结合上次的
Figure 809669DEST_PATH_IMAGE002
（信号采样持续时间）可根据公式计算得出本次的信号采样启动时间。
5.根据权利要求3所述的一种超声波水表计量信号采集自适应方法，其特征在于，所述信号采样持续时间计算算法为：根据上次回波信号
Figure 428869DEST_PATH_IMAGE006
采样数据使用过零判断法计算实际有效信号周期个数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，实际有效信号时间
Figure 227061DEST_PATH_IMAGE008
，本次的信号采样持续时间
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，即每次信号持续采样时间有效信号到来前提前0.6倍开始启动
Figure 691540DEST_PATH_IMAGE006
采样，有效回波信号采集完成后延后0.6倍结束adc采样，保证都能够采集到完整的有效信号并且功耗可控。
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