CN114152298B - 一种用于超声波计量飞行时间采样的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对超声波计量飞行时间采样的新方法，通过在比较电压Vref端增加模拟开关将Vref在采集到第一个回波时立刻切换到0电平，从而消除从根本少消除由于峰峰值变化而引入的飞行时间偏差量。本发明通过对接收回波比较阈值的切换，有效的减少甚至消除硬件法中超声波飞行时间的重复性误差，从而使提升系统在小流量下的计量性能。

Description

一种用于超声波计量飞行时间采样的方法
技术领域
本发明属于超声波燃气表计量领域，具体涉及一种用于超声波计量飞行时间采样的方法。
背景技术
随着社会信息化、智慧化脚步的不断发展，超声波计量技术在水、气行业俨然已经成为行业实现智慧化的技术支撑。并且超声波计量技术经过十几年的行业经验表明，其具有大规模应用的可行性。
但是，目前超声波计量核心技术的国产化推进速度仍然较慢，特别是燃气行业，至今为止仍然没有比较成熟的方案出现。究其原因，由于研发时间较长，行业内各企业对核心技术的投入力度不够大。尽管如此，从国家宏观环境基调和行业发展趋势来看，超声波计量核心技术的国产化仍然势在必行，虽然慢，但必须做。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于超声波计量飞行时间采样的方法。
超声波计量的技术核心是正确获得超声波的飞行时间。
超声波计量分为激励和接收部分，激励部分的方案一般为升压法，已经较为成熟。接收部分主流方案分以软件算法为主和以硬件法为主。本专利的方法基于以硬件为主的接收方案。
在以硬件为主的接收方案中，一般通过回波与特定阈值的比较来采样超声波的飞行时间。这种方法在中大流量下的计量精度和重复性精度是可以保证的，但是在小流量下的计量性能会大打折扣。其根本原因是这种方法对飞行时间的采集原理上就具有一定的误差。
针对这种本身存在的误差，本发明提供了针对一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，此方法通过对接收回波比较阈值的切换，有效的减少甚至消除硬件法中超声波飞行时间的重复性误差，从而使提升系统在小流量下的计量性能。
一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，步骤如下：
步骤(1)、将模拟开关的S1、S2、ENB引脚分别连接MCU的输出IO口连接，此处定义为MCU-GPIO0、MCU-GPIO1、MCU-GPIO3，通过MCU-GPIO3控制模拟开关的开启与关闭。将超声波回波与Vref-OUT通过比较器连接到MUC中断口，此处定义为MCU-INTP和计时器。MCU-INTP和计时器计时结束点采样设置为上升沿触发。
步骤(2)、设置所需采集时间点数量n(n≥2)，n根据实际超声测量方案中所需的时间点个数定义，且采集到的时间分别为X1、X2、…、Xn；
步骤(3)、控制MCU-GPIO3使模拟开关处于工作状态，同时控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与Vref-OUT连接，此时Vref-OUT等于Vref-IN；开启MCU-INTP，使Vref和回波第一个接触点被MCU立刻捕获。
步骤(4)、开始一次时间测量，计时器开始计时；
步骤(5)、待Vref和回波的第一接触点P1时，MCU-INTP被触发，同时关闭MCU-INTP中断使能(后续Vref与回波的接触点不需要被MCU捕获)。同时，延时至P2点后，控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与GND连接。所述的P2点位于回波半个周期的1/2处。
步骤(6)、继续进行飞行时间采集，待采集到所需时间点数量后，控制MCU-GPIO3使模拟开关关闭。
由于通过模拟开关切换比较器的Vref的时间在第一个回波触发后，因此最终采集到的时间X1仍然会存在由于波形变化而引起的飞行时间偏移。但是后续的飞行时间将不再受此种影响。在后续的算法中，将除去X1以外的飞行时间作为计算依据，将会大大提升中大流量的计量重复性，同时极大提升小流量下的计量性能。这一方法在实际产品开发当中也取得了很好的效果。
进一步的，所述的模拟开关采用型号为ADG804。
本发明有益效果如下：
本发明提供了针对一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，此方法通过对接收回波比较阈值的切换，有效的减少甚至消除硬件法中超声波飞行时间的重复性误差，从而使提升系统在小流量下的计量性能。
附图说明
图1超声波飞行时间采样过程；
图2峰峰值变化引起飞行时间偏移；
图3Vref切换逻辑图；
图4回波中断及计时器连接图；
图5为Vref切换点及所采集时间点示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明方法进行进一步描述。
超声波计量飞行时间的采样过程如图1所示，从激励信号a开始计时点，以Vref与回波的接触点为计时到达结束点，一般可采集多组时间，以AMS公司的GP30为例，可最多才加10组飞行时间，此图为说明仅标注2组。可设置上升沿或下降沿结束，图中实线T1/T2为上升沿计时，虚线T1/T2为下降沿计时。T1/T2的重复性误差将直接关系到最终计量的重复性性能。
从图1中可已看出，由于超声波回波的大小受到传播路径的衰减会表现出不断变化的峰峰值。而比较电压Vref又是固定不变的，因此，T1/T2也会随峰峰值的变化而变化，如图2中峰峰值不同实线虚线T1/T2存在△t1/△t2误差。这种变化误差对中大流量的计量影响不大，但会极大的降低小流量下的计量重复性。
为了消除这种误差，本方法提出通过在比较电压Vref端增加模拟开关将Vref在采集到第一个回波时立刻切换到0电平，如图3所示，从而消除从根本少消除由于峰峰值变化而引入的飞行时间偏差量。
一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，步骤如下：
步骤(1)、如图3所示，将模拟开关的S1、S2、ENB引脚分别连接MCU的输出IO口连接，此处定义为MCU-GPIO0、MCU-GPIO1、MCU-GPIO3，通过MCU-GPIO3控制模拟开关的开启与关闭。如图4所示，将超声波回波与Vref-OUT通过比较器连接到MUC中断口，此处定义为MCU-INTP和计时器。MCU-INTP和计时器计时结束点采样设置为上升沿触发(根据具体情况也可设置为下降沿触发)。
步骤(2)、设置所需采集时间点数量n(n≥2)，n根据实际超声测量方案中所需的时间点个数定义，且采集到的时间(如图1所示，超声波信号从a点到Vref与回波接触点的飞行时间)分别为X1、X2…Xn；
步骤(3)、如图3所示，控制MCU-GPIO3使模拟开关处于工作状态，同时控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与Vref-OUT连接，此时Vref-OUT等于Vref-IN；开启MCU-INTP，使Vref和回波第一个接触点被MCU立刻捕获。
步骤(4)、开始一次时间测量，计时器开始计时；
步骤(5)、如图5所示，待Vref和回波的第一接触点P1时，MCU-INTP被触发，同时关闭MCU-INTP中断使能(后续Vref与回波的接触点不需要被MCU捕获)。同时，延时至P2点后，控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与GND连接。所述的P2点位于回波半个周期的1/2处。
步骤(6)、继续进行飞行时间采集，待采集到所需时间点数量后，控制MCU-GPIO3使模拟开关关闭。
由于通过模拟开关切换比较器的Vref的时间在第一个回波触发后，因此最终采集到的时间X1仍然会存在由于波形变化而引起的飞行时间偏移。但是后续的飞行时间将不再受此种影响。在后续的算法中，将除去X1以外的飞行时间作为计算依据，将会大大提升中大流量的计量重复性，同时极大提升小流量下的计量性能。这一方法在实际产品开发当中也取得了很好的效果。

Claims (2)

1.一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)、将模拟开关的S1、S2、ENB引脚分别连接MCU的输出IO口连接，此处定义为MCU-GPIO0、MCU-GPIO1、MCU-GPIO3，通过MCU-GPIO3控制模拟开关的开启与关闭；将超声波回波与Vref-OUT通过比较器连接到MUC中断口，此处定义为MCU-INTP和计时器；MCU-INTP和计时器计时结束点采样设置为上升沿触发；
步骤(2)、设置所需采集时间点数量n，n≥2，n根据实际超声测量方案中所需的时间点个数定义，且采集到的时间分别为X1、X2、…、Xn；
步骤(3)、控制MCU-GPIO3使模拟开关处于工作状态，同时控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与Vref-OUT连接，此时Vref-OUT等于Vref-IN；开启MCU-INTP，使Vref和回波第一个接触点被MCU立刻捕获；
步骤(4)、开始一次时间测量，计时器开始计时；
步骤(5)、待Vref和回波的第一接触点P1时，MCU-INTP被触发，同时关闭MCU-INTP中断使能，后续Vref与回波的接触点不需要被MCU捕获；同时，延时至P2点后，控制MCU-GPIO0、MCU-GPIO1使模拟开关中Vref-IN与GND连接；所述的P2点位于回波半个周期的1/2处；
步骤(6)、继续进行飞行时间采集，待采集到所需时间点数量后，控制MCU-GPIO3使模拟开关关闭。
2.根据权利要求1所述的一种用于超声波计量飞行时间采样的方法，其特征在于，所述的模拟开关采用型号为ADG804。
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