CN114397475B - 一种适用于超声波水表的水流流速测量方法 - Google Patents

一种适用于超声波水表的水流流速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流速测量技术领域，公开了一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，包括以下步骤：超声波水表的信号采集器获取超声波信号，分别提取顺、逆流信号上包络并进行包络重构；基于重构后的信号计算窗位；基于窗位对信号进行互相关计算得互相关序列，进而求得两路信号时间差的整数部分；基于互相关序列进行插值计算，获得两路信号时间差的分数部分；根据两路信号时间差与校准系数计算得到管道内面平均水流流速。本发明在相关法对信号幅度不敏感、抗干扰能力强等优势的基础上，实现快速且精确的水流流速计算，从而实现超声波水表整机在低功耗状态下的长期稳定运行。

Description

一种适用于超声波水表的水流流速测量方法
技术领域
本发明涉及流速测量技术领域，尤其涉及一种适用于超声波水表的水流流速测量方法。
背景技术
超声波水表因计量精度高、量程比宽、压损小等优势，在民用、工业等领域得以广泛应用，其通过上下游超声波信号的传播时间差计算流速。相关法是根据相似性求得两路信号的时间差，对信号幅度不敏感，抗干扰能力强，被广泛应用于雷达、医学影像、无损检测等领域，但传统相关法对全序列进行求解，计算量大，频域相关法在频域求解快速傅里叶变换和互功率谱，计算量同样较大，若将其直接应用于超声波水表等需持续运行达6年以上的低功耗产品中，会增加运行功耗，使整机使用寿命缩短。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，基于相关法对信号幅度不敏感、抗干扰能力强等优势，实现快速且精确的水流流速计算，计算量远小于传统相关法或频域相关法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，包括以下步骤：
s1：超声波水表的信号采集器获取超声波信号，记顺流超声波信号为Xup，逆流超声波信号为Xdown；
s2：分别提取信号Xup和Xdown上包络，并进行包络重构，重构后的信号分别记为Eup和Edown；
s3：基于信号Eup和Edown，计算窗位；
s4：基于窗位，对信号Xup和Xdown进行互相关计算得互相关序列R1，进而求得两路信号时间差的整数部分；
s5：基于互相关序列R1进行插值计算，获得两路信号时间差的分数部分，综合s4计算结果，得到完整的两路信号时间差；
s6：根据两路信号时间差与校准系数计算得到管道内面平均水流流速。
优选地，步骤s1中信号采集器需调整采样窗口以保证采集的超声波信号在采样窗中，信号采集器的采样率大于奈奎斯特频率，且为发出的超声波信号频率的整数倍。
优选地，步骤s2中上包络为信号Xup和Xdown的极大值点，在提取上包络前需对信号Xup和Xdown开窗，仅保留信号的有效部分，排除噪声干扰。
优选地，步骤s2中包络重构是将包络信号幅值重构为以2为底的幂函数，包络信号中的首元素幅值重构为20，对于相邻的两个元素值，若后一元素值大于前一元素值则后一元素值幂次加1，幂次最大为16，若后一元素值小于前一元素值则后一元素值幂次减1，幂次最小为0，若后一元素值等于前一元素值则后一元素值幂次与前一元素值幂次保持一致，重构后的信号Eup和Edown等长。
优选地，步骤s3中窗位是指信号Xup和Xdown进行互相关计算时开窗的位置，对信号Eup和Edown进行互相关运算得到互相关序列R0，根据互相关序列R0峰值求得窗位w，其中互相关序列R0计算公式如下：
Figure 374829DEST_PATH_IMAGE002
式中，i为信号Eup和Edown中的元素索引，N为信号长度，m为互相关序列R0中的元素索引，m的取值范围为[-N+1，N-1]。
优选地，所述在对信号Eup和Edown进行互相关运算得互相关序列R0的过程中，也对互相关序列R0开窗，窗的大小和位置根据超声波水表管径和设定的流量区间确定。
优选地，所述步骤s4中互相关计算以信号Xup和Xdown作为输入，计算两路信号在m=w-1、w、w+1处的互相关序列R1，根据R1峰值求得两路信号时间差的整数部分。
优选地，所述步骤s5中插值计算方法可以为余弦插值、抛物线插值、三次样条插值或者高斯插值。
优选地，所述步骤s6中管道内面平均水流流速
Figure DEST_PATH_IMAGE003
计算公式如下：
Figure 973823DEST_PATH_IMAGE004
式中，K为校准系数，由数据拟合得出，L为声路长度，ΔT为两路信号时间差，即顺逆流超声波信号时间差，c为超声波在水中传播速度，主要受温度影响。
本发明的有益技术效果：将接收的超声波信号上包络重构为以2为底的幂函数，以移位运算代替乘法运算，降低运算量，以此计算并获得互相关窗位，减少互相关运算次数，进而降低运算量。在相关法对信号幅度不敏感、抗干扰能力强等优势的基础上，实现快速且精确的水流流速计算，从而实现超声波水表整机在低功耗状态下的长期稳定运行。
附图说明
图1为本发明的总体流程图。
图2为本发明实施例中信号采集器获取到的超声波信号示意图。
图3为本发明实施例中包络重构信号示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：
如图1所示，一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，包括以下步骤：
s1：如图2所示为某型号超声波水表的信号采集器在流量约为2000L/h时获取到的一组超声波信号，记顺流超声波信号为Xup，逆流超声波信号为Xdown；其中信号采集器需调整采样窗口以保证采集的超声波信号在采样窗中，信号采集器的采样率大于奈奎斯特频率，且为发出的超声波信号频率的整数倍。
s2：分别提取信号Xup和Xdown上包络，并进行包络重构，如图3所示，重构后的信号分别记为Eup和Edown；其中上包络为信号Xup和Xdown的极大值点，在提取上包络前需对信号Xup和Xdown开窗，去掉死区部分，仅保留信号的有效部分，排除噪声干扰。其中包络重构是将包络信号幅值重构为以2为底的幂函数，包络信号中的首元素幅值重构为20，对于相邻的两个元素值，若后一元素值大于前一元素值则后一元素值幂次加1，幂次最大为16，若后一元素值小于前一元素值则后一元素值幂次减1，幂次最小为0，若后一元素值等于前一元素值则后一元素值幂次与前一元素值幂次保持一致，重构后的信号Eup和Edown等长。
s3：基于信号Eup和Edown，计算窗位；其中窗位是指信号Xup和Xdown进行互相关计算时开窗的位置，对信号Eup和Edown进行互相关运算得到互相关序列R0，根据互相关序列R0峰值求得窗位w=0，其中互相关序列R0计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，i为信号Eup和Edown中的元素索引，N为信号长度，m为互相关序列R0中的元素索引，m的取值范围为[-N+1，N-1]；
在对信号Eup和Edown进行互相关运算得互相关序列R0的过程中，也对互相关序列R0开窗，窗的大小和位置根据超声波水表管径和设定的流量区间确定。
s4：基于窗位，对信号Xup和Xdown进行互相关计算得互相关序列R1，进而求得两路信号时间差的整数部分；其中互相关计算以信号Xup和Xdown作为输入，计算两路信号在m=-1、0、1处的互相关序列R1，根据R1峰值求得两路信号时间差的整数部分。
s5：基于互相关序列R1进行插值计算，在此插值计算方法选用余弦插值法，获得两路信号时间差的分数部分，综合s4计算结果，得到完整的两路信号时间差ΔT=155.493 ns。
s6：根据两路信号时间差与校准系数计算得到管道内面平均水流流速。其中管道内面平均水流流速
Figure 701345DEST_PATH_IMAGE006
计算公式如下：
Figure 296275DEST_PATH_IMAGE007
式中，K为校准系数，由数据拟合得出，L为声路长度，ΔT为两路信号时间差，即顺逆流超声波信号时间差，c为超声波在水中传播速度，主要受温度影响。
计算得到管道内面平均水流流速
Figure 308224DEST_PATH_IMAGE008
=3.116 m/s。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：超声波水表的信号采集器获取超声波信号，记顺流超声波信号为Xup，逆流超声波信号为Xdown；信号采集器需调整采样窗口以保证采集的超声波信号在采样窗中，信号采集器的采样率大于奈奎斯特频率，且为发出的超声波信号频率的整数倍；
s2：分别提取信号Xup和Xdown上包络，并进行包络重构，重构后的信号分别记为Eup和Edown；其中包络重构是将包络信号幅值重构为以2为底的幂函数，包络信号中的首元素幅值重构为20，对于相邻的两个元素值，若后一元素值大于前一元素值则后一元素值幂次加1，幂次最大为16，若后一元素值小于前一元素值则后一元素值幂次减1，幂次最小为0，若后一元素值等于前一元素值则后一元素值幂次与前一元素值幂次保持一致，重构后的信号Eup和Edown等长；
s3：基于信号Eup和Edown，计算窗位；窗位是指信号Xup和Xdown进行互相关计算时开窗的位置，对信号Eup和Edown进行互相关运算得到互相关序列R0，根据互相关序列R0峰值求得窗位w，其中互相关序列R0计算公式如下：
Figure 821926DEST_PATH_IMAGE001
式中，i为信号Eup和Edown中的元素索引，N为信号长度，m为互相关序列R0中的元素索引，m的取值范围为[-N+1，N-1]；
s4：基于窗位，对信号Xup和Xdown进行互相关计算得互相关序列R1，进而求得两路信号时间差的整数部分；
s5：基于互相关序列R1进行插值计算，获得两路信号时间差的分数部分，综合s4计算结果，得到完整的两路信号时间差；
s6：根据两路信号时间差与校准系数计算得到管道内面平均水流流速。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，步骤s2中上包络为信号Xup和Xdown的极大值点，在提取上包络前需对信号Xup和Xdown开窗，仅保留信号的有效部分，排除噪声干扰。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，所述在对信号Eup和Edown进行互相关运算得互相关序列R0的过程中，也对互相关序列R0开窗，窗的大小和位置根据超声波水表管径和设定的流量区间确定。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，所述步骤s4中互相关计算以信号Xup和Xdown作为输入，计算两路信号在m=w-1、w、w+1处的互相关序列R1，根据R1峰值求得两路信号时间差的整数部分。
5.根据权利要求1所述的一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，所述步骤s5中插值计算方法可以为余弦插值、抛物线插值、三次样条插值或者高斯插值。
6.根据权利要求1所述的一种适用于超声波水表的水流流速测量方法，其特征在于，所述步骤s6中管道内面平均水流流速
Figure 676750DEST_PATH_IMAGE002
计算公式如下：
Figure 846700DEST_PATH_IMAGE003
式中，K为校准系数，由数据拟合得出，L为声路长度，ΔT为两路信号时间差，即顺逆流超声波信号时间差，c为超声波在水中传播速度。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115950495B (zh) * 2023-02-09 2023-06-09 青岛鼎信通讯科技有限公司 一种超声水表测量频率调节方法
CN115824331B (zh) * 2023-02-22 2023-06-16 青岛鼎信通讯科技有限公司 一种适用于超声水表的低功耗测量方法
CN117268512B (zh) * 2023-11-23 2024-02-09 青岛鼎信通讯科技有限公司 一种适用于超声水表的一致性优化方法
CN117268483B (zh) * 2023-11-23 2024-02-23 青岛鼎信通讯科技有限公司 一种适用于超声水表的瞬时流量计量方法
CN117367527B (zh) * 2023-12-08 2024-03-19 青岛鼎信通讯科技有限公司 一种能提高超声水表可靠性的计量方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013056089A2 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 Seno Medical Instruments, Inc. System and method for acquiring optoacoustic data and producing parametric maps thereof

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3669588B2 (ja) * 2003-05-06 2005-07-06 学校法人慶應義塾 超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定処理プログラム
JP4979524B2 (ja) * 2007-09-20 2012-07-18 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計
KR20100079624A (ko) * 2008-12-31 2010-07-08 장진수 모바일 로봇에서 지연 패턴과 교차 상관을 이용한 초음파 신호의 송신 센서 구분방법
CN102082757B (zh) * 2011-03-10 2013-06-12 中国科学院微电子研究所 一种多径信道下ofdm系统定时同步的改进方法
DE102013106544A1 (de) * 2013-06-24 2014-12-24 Sick Ag Ultraschallmessvorrichtung
CN105319548A (zh) * 2015-09-25 2016-02-10 重庆大学 一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法
CN109029598B (zh) * 2018-06-15 2019-11-29 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
CN109297550B (zh) * 2018-09-21 2020-06-05 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
CN109765545A (zh) * 2019-02-01 2019-05-17 中国科学院声学研究所东海研究站 一种基于相关峰包络检测的水声定位时延估计算法
CN110646042A (zh) * 2019-10-16 2020-01-03 上海交通大学 一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法
CN113375737B (zh) * 2020-06-15 2024-01-12 郑州大学 时差式超声气体流量计的流速计量方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013056089A2 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 Seno Medical Instruments, Inc. System and method for acquiring optoacoustic data and producing parametric maps thereof

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