CN114859117A - 一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，属于超声波换能器检测技术领域，首先基于网络分析仪所获得的换能器导纳频率响应进行筛选，挑选出导纳参数和谐振频率相近的换能器；依据通过上位机所设置的信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围、采样时间长度T的等分数目m和所对应的换能器接收信号的归一化包络幅值差值极限五个分档挑选条件，实施采样时间长度T内接收信号的放大、滤波和采样、ADC、接收信号峰值的曲线拟合，接收信号包络幅值、波腹值、归一化包络幅值及归一化包络幅值差的存储与计算等，判断换能器接收信号波形包络的相似性，实现自动分档。本发明可以保证换能器在所使用的温度范围内具有更好的一致性。

Description

一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，属于超声波换能器检测技术领域。

背景技术

一般用于燃气计量的超声波换能器是成对使用的，其流量计量的精度很大程度上取决于该对换能器的参数一致性，但由于两只换能器本身存在一定差异，即使经过相应校准，在一定程度上还是会导致燃气流量计量精度的降低。欲减小因换能器引起的计量误差，就必须进行换能器的挑选，其挑选方法主要分为配对和分档两类，配对是成对挑选；分档则是按性能参数分为几个参数段的挑选，即性能参数相近的换能器作为一档。分档更利于提高换能器的挑选、分装效率和燃气计量器具的生产效率。

从理论上讲分档方法有多种：换能器等效集中参数L/C/R分档方法、谐振频率和反谐振频率分档方法、阻抗参数分档方法、信号包络幅值分档方法、以及静态时间差分档方法或相应参数组合的分档方法。

上述分档方法从理论上讲是可行的，但实用过程发现并不理想。欲保证换能器在工作温度范围内均具有较好的参数一致性，其关键参数就是接收信号波形的相似性，即当换能器A发射B接收或B发射A接收时，所接收到的超声波信号波形要具有很好或较好的相似性。

发明内容

因为在流量计量器具中的换能器是收发兼用的，其流量计量的精度主要取决于时间计量的准确度和稳定性，在时间采集模块及相关硬件等准确度和稳定度有保障的前提下，换能器接收信号的波腹值和接收信号的包络形状便成为换能器的关键参数。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，通过判断换能器接收信号包络曲线的相似性实现自动分档。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，包括以下步骤：

步骤1、为了使挑选后的换能器在所使用的温度范围内其参数具有更好的一致性，首先，基于网络分析仪所获得的换能器导纳频率响应进行筛选，挑选出导纳参数和谐振频率相近的换能器；

步骤2、依据通过上位机所设置的信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围Um1～Um2、接收信号采样时间长度T的等分数目m和所对应的换能器接收信号的归一化包络幅值差值极限

五个分档挑选条件，实施采样时间长度T内对换能器接收信号的放大、滤波和采样，按分档装置定标时根据换能器的工作频率所确定的采样率采样，ADC，接收信号峰值的曲线拟合，采样时间长度T内m等份所对应的第v条接收信号包络幅值Uqv、波腹值Uantv、归一化包络幅值

及第v条与第w条拟合曲线两两之间的归一化包络幅值差

的计算与存储，接收信号包络曲线的相似性比对，从而判断换能器接收性能的相近性，实现自动分档功能。可根据所要挑选的换能器的一致性程度，适当选择相应的挑选条件，以达到最佳分档效果或所需要的分档效果。

本发明的有益效果：

本发明首先根据换能器导纳频率响应进行筛选，然后再通过五个分档挑选条件根据换能器接收信号包络曲线的相似性进行挑选，可以保证换能器在所使用的温度范围内具有更好的一致性。

附图说明

图1是本发明实施例的将相同位号的换能器两两对位，实施接收信号的处理、接收信号的采样和ADC的流程图；

图2是本发明实施例的将不同位号的换能器两两对位，实施接收信号的处理、接收信号的采样、ADC和峰值曲线拟合的流程图；

图3是本发明实施例的判断波腹值、对包络幅值的取样及归一化、包络曲线相似性比对并分档的流程图；

图4是本发明实施例的换能器分档装置的整体结构示意图；

图5是本发明实施例的换能器分档装置的A结构与B结构的示意图；

图6是本发明实施例的换能器分档装置的A旋转电机和B旋转电机的示意图；

图7是本发明实施例的换能器分档装置的电子模块框图；

图中，1为A扫码枪，2为B扫码枪，3为A电子模块，4为B电子模块，5为B旋转电机，6为升降电机，7为A结构，8为B结构，9为声路管，10为A旋转电机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，是本发明实施例的将相同位号的换能器两两对位，实施接收信号的处理、接收信号的采样和ADC的流程图；如图2所示，是本发明实施例的将不同位号的换能器两两对位，实施接收信号的处理、接收信号的采样、ADC和峰值曲线拟合的流程图；如图3所示，是本发明实施例的判断波腹值、对包络幅值的取样及归一化、包络曲线相似性比对并分档的流程图。图1、图2和图3组成本发明实施例的利用换能器分档装置进行自动分档的完整流程，图1的最后步骤接图2的第一步骤，图2的最后步骤接图3的第一步骤。一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，利用换能器分档装置判断换能器接收信号包络的相似性，实现自动分档功能，具体包括以下步骤：

(1)上位机启动扫码功能，A结构7和B结构8上各配有一个扫码枪，可识别换能器上的二维码或条形码，扫码枪分别对各自结构上的所有位号的换能器扫码并存储换能器位号和编号。优选A结构7和B结构8上对称分布着n对换能器，A结构7和B结构8上的扫码枪分别对各自结构上的换能器扫码并存储换能器位号Ai、Bi和换能器编号，i＝1,2,3,…,n-1,n。

(2)根据所要求的换能器一致性程度，在上位机对话框中键入分档装置定标所确定的信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围Um1～Um2、接收信号采样时间长度T的等分数目m和所对应的换能器接收信号的归一化包络幅值差值极限

五个分档挑选条件，作为分档依据。

(3)换能器分档装置将两组相同位号的换能器两两对位，即Ai换能器对Bi换能器。

(4)上位机按分档装置定标所确定的增益G设置电子模块数控放大器的增益，并将换能器激励信号源连接于Ai换能器，Bi换能器作为接收，上位机启动电子模块的模拟信号处理单元，在上位机控制的采样时间长度T内对Bi换能器所接收到的信号放大、滤波，并按分档装置定标时根据换能器的工作频率所确定的采样率采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机获得并存储了n组数据，每组数据都反映了各自换能器接收信号的特征，是能够再现接收信号波形的数据，即反映出信号幅值随时间周期性变化且峰值不断攀升的变化速率和波腹值大小的数据。

(5)上位机启动电子模块将激励信号源连接于Bi换能器，Ai换能器作为接收，上位机启动电子模块的模拟信号处理单元，在上位机控制的采样时间长度T内对Ai换能器所接收到的信号放大、滤波，并以与上述相同的采样率采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了与步骤(4)特征相同的n组数据。A结构7和B结构8中两组相同位号的换能器两两对位测试共获得并存储了2×n组数据。

(6)上位机控制分档装置的电机将两组不同位号的换能器依次两两对位，即Aj换能器与Bk换能器对位，j,k＝1,2,3,…,n-1,n，j≠k。

(7)上位机启动电子模块将激励信号源连接于Aj换能器，Bk换能器接收，上位机启动电子模块的模拟信号处理单元，在上位机控制的采样时间长度T内对Bk换能器所接收到的信号放大、滤波，并以与上述相同的采样率采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了n×(n-1)组与步骤(4)特征相同的数据。

(8)上位机启动电子模块将激励信号源连接于Bk换能器，Aj换能器接收，在上位机控制的采样时间长度T内对Aj换能器所接收到的信号放大、滤波，并以与上述相同的采样率采样，经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了n×(n-1)组与步骤(4)特征相同的数据。

(9)上位机对上述A结构7和B结构8中两组相同位号的换能器两两对位测试和两组不同位号的换能器两两对位测试所存储的2×n×n组数据，分别进行峰值曲线拟合，得到2×n×n条接收信号的包络曲线，以数组的形式存储于上位机，并命名为包络数组。因为所设计换能器接收信号的包络曲线形似积分曲线，在一定时间内其包络幅值随时间的推移而增大，由于换能器参数之间的差异导致其包络幅值上升速率和最大值有所不同，则在相同时间的包络幅值就不同，当比对换能器的接收特性时，只要在若干个相同时间点上分别求取它们之间的包络幅值差或归一化包络幅值差，根据这些包络幅值差或归一化包络幅值差的大小即可判断两只换能器接收性能的相近性。根据所设定的采样时间长度T的等分数目m值将采样时间长度T等分m份，即t_q＝q×T/m,q＝1,2,3,…,m，即t1＝T/m,t2＝2×t1,…,tm＝m×t1＝T，在所设定的采样时间长度T内只出现一个波腹，包络幅值的最大值即为波腹值Uant，Uantv表示第v条包络曲线的波腹值。从包络数组中获取采样时间长度T内每条包络曲线每等份所对应的信号包络幅值Uqv，q＝1,2,3,…,m，v＝1,2,3,…,2×n×n，及归一化包络幅值

同时获得了每条包络曲线的最大值即包络的波腹值Uantv，并获得了采样时间长度T内m等份所对应的包络幅值数据2×m×n×n个，将其波腹值Uantv、归一化包络幅值

命名为分档数组并存储，以备分档比对用。采样时间等分m值越大便对包络曲线的划分就越细，通过包络幅值Uqv来表征接收信号峰值拟合曲线的特征就会越细腻，但相应的运算时间就会越长。

(10)上位机调取分档数组中的波腹值Uantv，并判断所有波腹值Uantv是否在Um1～Um2范围内，将不在该范围内所对应的换能器本轮分档弃用，比如：所设定的Um1～Um2为：480～500，调取分档数据组中的2×n×n个接收信号包络的波腹值Uantv，不在480～500范围内的换能器该轮分档不予考虑，若满足范围要求则继续以下分档流程。

(11)上位机在相同q下依次计算所有换能器接收信号两两之间的归一化包络幅值差

即

w>v，将其归一化包络幅值差

存储到(9)所建立的分档数组中，即分档数组中包含波腹值Uantv、归一化包络幅值

和归一化包络幅值差

三类数据，然后判断是否满足

若满足，上位机便存储本次分档满足要求的所有换能器的位号、编号和相关信息；比如：所设定的

即调取分档数组中的

将满足

的换能器位号、编号和相关信息存储到上位机，并记为A档。

(12)对上述分档操作中未满足Um1～Um2或

或两个条件均不满足的换能器，可根据需要适当放宽条件，例如：放宽包络波腹值Um1～Um2的范围，增大归一化包络幅值差极限

值，或放宽两个条件中的任一个，调取分档数组中第一轮分档未进入A档的换能器的波腹值Uantv和归一化包络幅值差

进行第二轮分档挑选，以得到另一档换能器，比如：重新设定Um1～Um2为450～480、

不必重新进行测试流程，调取分档数组中第一轮分档未进入A档的换能器接收信号波腹值Uantv和归一化包络幅值差

进行第二轮分档挑选，可选出比A档包络曲线相近程度略低的部分换能器，存储其换能器位号、编号和相关信息，并记为B档。

(13)同理，对未进入A档和B档的换能器可进行第三轮分档挑选，根据需要进一步放宽条件，比如：设定Um1～Um2为400～450，

调取分档数组中第一轮和第二轮分档未进入A档和B档的换能器接收信号波腹值Uantv和归一化包络幅值差

进行第三轮分档挑选，可选出比B档包络曲线相近程度略低的另一部分换能器，存储其换能器位号、编号和相关信息，并记为C档。依次类推，根据需要直至完成全部或部分换能器的分档。

为了实现所述的一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，本发明实施例中专门设计了换能器分档装置，换能器分档装置包括：机械结构、电子模块和上位机程序模块。如图4所示，是本发明实施例的换能器分档装置的整体结构示意图；如图5所示，是本发明实施例的换能器分档装置的A结构与B结构的示意图；如图6所示，是本发明实施例的换能器分档装置的A旋转电机和B旋转电机的示意图。

首先将经网络分析仪获得的导纳频率响应筛选的换能器等分为两组，A组换能器序号为A1～An，B组换能器序号为B1～Bn。A组换能器与B组换能器两两之间用声路管9对接。换能器分档装置的机械结构分为两个对称结构，分别称为A结构7和B结构8，A结构7和B结构8上对称分布着n对换能器，换能器的序号分别为A1～An和B1～Bn，A结构7上的换能器和B结构8上的换能器之间用声路管9对接，A结构7与B结构8均由电机带动进行程控转动或升降，可实现A1～An与B1～Bn任意两个换能器两两对位，电机包括：B旋转电机5、升降电机6和A旋转电机10。A结构7的一侧设置A扫码枪1，B结构8的一侧设置B扫码枪2。

如图7所示，是本发明实施例的换能器分档装置的电子模块框图。换能器分档装置的电子模块由MCU处理器、换能器激励信号源、模拟开关阵列、A1～An和B1～Bn换能器接口、A1～An和B1～Bn换能器接收信号通道、模拟信号处理单元、ADC单元、电机控制单元、扫码枪接口、上位机接口和电机控制信号接口组成。MCU处理器负责换能器分档所需要的部分控制和相关数据的处理。换能器激励信号根据换能器的工作频率提供方波激励信号。模拟开关阵列由上位机控制以实现换能器的切换和收发转换。A1～An和B1～Bn换能器接口用于连接A1～An和B1～Bn换能器。A1～An和B1～Bn换能器接收信号通道为换能器接收信号提供传输路径。模拟信号处理单元将换能器在限定的采样时间长度T内接收到的信号进行放大、滤波，在换能器分档装置定标时，上位机调节模拟信号处理单元的数控放大器的放大倍数G，以达到所需要的信号波腹值在限定的范围Um1～Um2内，分档流程中键入分档装置定标所确定的G；ADC单元将在采样时间长度T内对来自于模拟信号处理单元的换能器接收信号进行采样和模数转换，并传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机。电机控制单元在上位机的控制下实施相关电机的旋转或升降。扫码枪接口与扫码枪相连。上位机接口与上位机相连。电机控制信号接口与电机相连。电子模块包括A电子模块3和B电子模块4，A电子模块3和B电子模块4的电路结构相同。

本发明实施例的换能器分档装置的上位机程序模块，包括：分档控制模块、运行状态显示模块、分档结果显示模块和换能器列表模块，分档控制模块用于控制电机的升降和旋转实现换能器分档装置的起始定位、定向旋转和分档对位，并且设置初始化启动、初始化停止、配对启动、配对停止和急停按钮实现人机交互，方便换能器配对操作。

本发明实施例中，(1)分档装置的A结构7和B结构8上对称分布着n对换能器，A结构7与B结构8均由上位机控制电机进行程控转动或升降，可实现A1～An与B1～Bn任意两个换能器两两对位；(2)设置信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围Um1～Um2、接收信号采样时间长度T的等分数目m和所对应的归一化包络幅值差值极限

五个分档挑选条件，作为换能器分档依据；(3)根据需要适当选择分档挑选条件，以达到最佳分档效果或所需要的不同级别的分档效果；(4)具有两组换能器两两任意对位功能；(5)具有接收信号的放大、滤波、定时采样和ADC功能；(6)具有接收信号峰值曲线拟合、波腹检测功能；(7)具有采样时间等分和等分后的包络幅值比对功能；(8)具有不同级别分档的结果以及相关信息的显示、存储和查询功能。

本发明中的信号包络幅值、信号波腹值，其中的幅值是指幅度的取值，腹值是幅值为最大的点，因为接收信号本身就是一种电压波，波腹是指接收信号电压波的包络曲线的最大值。峰值是指信号的一个周期内最大值或最小值与其平均值的差值，对于正负对称波而言，即为一个周期内的波的峰值。由于信号包络是信号峰值的拟合曲线，信号包络的最大(幅)值即为波腹值。由于换能器接收到的信号在一定时间内是以一定频率振动且峰值单调上升的若干周期的正弦波，即正弦波的峰值是逐渐增大的，峰值的曲线拟合就是将得到的所有正弦波的峰值进行曲线拟合，即得到接收信号峰值的拟合曲线，亦即接收信号包络曲线，简称包络。包络曲线是二维曲线，其横坐标是时间，纵坐标是幅值，所要获取的就是不同时刻所对应的包络曲线上对应点的纵坐标的值即信号包络幅值。其包络曲线的数据包含时间、与时间相对应的信号包络幅值和信号波腹值三个信息，由这三个信息构成的数组称为包络数组，是能够再现接收信号包络曲线的数据组。

ADC的采样率是根据被测换能器的工作频率和ADC时钟确定的，根据被分档换能器的工作频率，系统定标时已设定。

Claims (2)

1.一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，其特征在于，设计换能器分档装置，换能器分档装置包括：机械结构、电子模块和上位机程序模块；机械结构包括两个对称结构，分别称为A结构和B结构，A结构和B结构上对称分布着n对换能器，A结构上的换能器和B结构上的换能器之间用声路管对接，A结构与B结构均由电机带动进行程控转动或升降；电子模块由MCU处理器、换能器激励信号源、模拟开关阵列、换能器接口、换能器接收信号通道、模拟信号处理单元、ADC单元、电机控制单元、扫码枪接口、上位机接口和电机控制信号接口组成，MCU处理器负责换能器分档所需要的控制和数据处理，换能器激励信号源由MCU处理器控制根据换能器的工作频率提供方波激励信号，模拟信号处理单元对换能器在限定的采样时间长度T内所接收到的信号进行放大和滤波，ADC单元将在采样时间长度T内对来自于模拟信号处理单元的换能器接收信号进行采样和模数转换，ADC单元将数据传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机对MCU处理器传送来的数据的峰值进行曲线拟合，得到换能器接收信号的包络曲线，包络曲线以数组的形式存储于上位机中，并称之为包络数组，上位机根据所设定的m值将采样时间长度T等分m份，通过包络数组获取每等份所对应的包络幅值Uq和波腹值Uant；上位机程序模块包括：分档控制模块、运行状态显示模块、分档结果显示模块和换能器列表模块，分档控制模块用于控制电机的升降和旋转以实现换能器分档装置的起始定位、定向旋转和分档对位；

包括以下步骤：基于网络分析仪所获得的换能器导纳频率响应进行筛选，挑选出导纳参数和谐振频率相近的换能器；依据信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围Um1～Um2、采样时间长度T的等分数目m和所对应的换能器接收信号的归一化包络幅值差值极限

五个分档挑选条件，实施采样时间长度T内对接收信号的放大、滤波和采样，ADC，接收信号峰值的曲线拟合，采样时间长度T内m等份所对应的第v条接收信号包络幅值Uqv、波腹值Uantv、归一化包络幅值

及第v条与第w条拟合曲线两两之间的归一化包络幅值差

的计算与存储，接收信号包络曲线的相似性比对，从而判断换能器接收性能的相近性，实现自动分档功能；具体包括以下步骤：

(1)上位机启动扫码功能，A结构和B结构上的扫码枪分别对各自结构上的换能器扫码并存储换能器位号Ai、Bi和换能器编号，i＝1,2,3,…,n；

(2)在上位机对话框中键入信号增益值G、采样时间长度T、波腹值限定范围Um1～Um2、采样时间长度T的等分数目m和所对应的换能器接收信号的归一化包络幅值差值极限

五个分档挑选条件；

(3)换能器分档装置将两组相同位号的换能器两两对位；

(4)上位机将换能器激励信号源连接于Ai换能器，Bi换能器作为接收，并启动模拟信号处理单元，在采样时间长度T内对Bi换能器所接收到的信号放大、滤波、采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机获得并存储了n组数据；

(5)上位机将换能器激励信号源连接于Bi换能器，Ai换能器作为接收，并启动模拟信号处理单元，在采样时间长度T内对Ai换能器所接收到的信号放大、滤波、采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了n组数据；

(6)上位机控制分档装置的电机将两组不同位号的换能器依次两两对位，即Aj换能器与Bk换能器对位，j,k＝1,2,3,…,n-1,n，j≠k；

(7)上位机将换能器激励信号源连接于Aj换能器，Bk换能器接收，并启动模拟信号处理单元，在采样时间长度T内对Bk换能器所接收的信号放大、滤波、采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了n×(n-1)组数据；

(8)上位机将换能器激励信号源连接于Bk换能器，Aj换能器接收，并启动模拟信号处理单元，在采样时间长度T内对Aj换能器所接收的信号放大、滤波、采样、经ADC单元进行模数转换，再传输给MCU处理器进行数字滤波，然后传送给上位机，上位机又获得并存储了n×(n-1)组数据；

(9)上位机对上述A结构和B结构中两组相同位号的换能器两两对位测试和两组不同位号的换能器两两对位测试所存储的2×n×n组数据的峰值分别进行曲线拟合，得到2×n×n条接收信号的包络曲线，以数组的形式存储于上位机，并命名为包络数组；根据采样时间长度T的等分数目m值将采样时间长度T等分m份，即t_q＝q×T/m,q＝1,2,3,…,m，即t1＝T/m,t2＝2×t1,…，tm＝T，在所设定的采样时间长度T内只出现一个波腹，包络幅值的最大值即为波腹值Uant，Uantv表示第v条包络曲线的波腹值；从包络数组中获取采样时间长度T内每条包络曲线每等份所对应的信号包络幅值Uqv，q＝1,2,3,…,m，v＝1,2,3,…,2×n×n，及归一化包络幅值

同时获得了每条包络曲线的波腹值Uantv，并获得了采样时间长度T内m等份所对应的归一化包络幅值

共2×m×n×n个，将波腹值Uantv、归一化包络幅值

命名为分档数组并存储，以备分档比对用；

(10)上位机调取分档数组中的波腹值Uantv，并判断所有波腹值Uantv是否在Um1～Um2范围内，将不在该范围内的换能器本轮分档弃用，若满足范围要求则继续以下分档流程；

(11)上位机在相同q下依次计算所有换能器接收信号两两之间的归一化包络幅值差

即

将其归一化包络幅值差

存储到步骤(9)所建立的分档数组中，然后判断是否满足

若满足，上位机便存储本次分档满足要求的所有换能器的位号、编号和相关信息，并记为A档；

(12)对上述分档中未满足Um1～Um2或

或两个条件均不满足的换能器，根据需要放宽条件，调取分档数组中的波腹值Uantv和归一化包络幅值差

进行第二轮分档挑选，存储换能器位号、编号和相关信息，并记为B档；

(13)同理，对未进入B档的换能器进行第三轮分档挑选，调取分档数组中第一轮和第二轮分档未进入A档和B档的换能器接收信号波腹值Uantv和归一化包络幅值差

进行第三轮分档挑选，存储换能器位号、编号和相关信息，并记为C档。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气计量的超声波换能器分档方法，其特征在于，上位机程序模块设置初始化启动、初始化停止、配对启动、配对停止和急停按钮。

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