CN115388965A - 一种气体超声流量传感器的测量算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体超声流量传感器的测量算法，涉及气体超声流量传感器技术领域，包括以下步骤：先以f_period的采样频率，采样P_sample点，即采样P_sample/f_period的时间，且P_sample/f_period不应低于2s，对采样值进行P_sample点的FFT计算，得到频域幅值谱，对P_sample点幅值谱进行排序，计算从最小值开始的共0.5*P_sample点幅值谱均值A_avg，从最大值开始依次计算幅值A_i与幅值谱均值A_avg之间的比值A_i/A_avg，若该比值大于k。本发明通过上述等结构的配合，实现了根据不同的气流状况，选择合适的采样频率，若在存在脉动流的场合下，提高采样频率，结合每个采样节拍下的采样时刻随机化，可以极大的较少脉动流对计量结果的影响，而对于没有脉动流的场合，则降低采样频率，提高电池寿命。

Description

一种气体超声流量传感器的测量算法

技术领域

本发明涉及气体超声流量传感器技术领域，具体为一种气体超声流量传感器的测量算法。

背景技术

超声流量传感器，其采用传输时间差法。在传输时间差法中，超声波换能器(发射器/接收器)分别设置在作为测量目标的流体通道(测量流体通道)的上游侧和下游侧，并交替发送和接收超声波脉冲。这样就可以通过利用正向的传输时间(传播时间)和反向的传输时间来测量流体的流速。因此，可以通过使用流速和测量流体通道的横截面积来测量流体的流量。

而在气体流量传感器的燃气表应用中，表通常被配置为间歇性地测量管道内气体的流量，该管道是通过采样测量流体通道，计算测量值的平均值，并积分平均值，从而获得气体使用量(积分流量值)。该采样测量基本上在每个预设采样周期中执行一次。

不同于水等液体，气体是压缩流体。因此，当气体通过压缩气体的装置时，气流中更有可能发生脉动。如果这种脉动与采样周期重叠，则在气体流量测量中发生误差，在气体测量过程中，在发生循环脉动的情况下，如果脉动周期和采样周期彼此重合或彼此接近，或者脉动周期是采样周期的整数倍，则可能存在仅将脉动的峰值或底部值测量为气体流量值的可能性。在这种情况下，气体流量值的误差变得相对较大。如果对包含误差的流量值进行积分，则作为积分值的气体使用量将与实际使用量显着偏差。

在上述情况下，已经提出了一些技术，用于即使在气流中发生脉动时也能获得精确的气体流量值。但是，以上这些方式的采样频率都是固定的，存在在脉动流的情况下，固定采样频率过高或过低的问题。过高则电池寿命缩减，过低则计量精度或响应时间指标变差，因此为了解决上述问题我们提出了一种一种气体超声流量传感器的测量算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体超声流量传感器的测量算法，具备根据不同的气流状况，选择合适的采样频率，若在存在脉动流的场合下，提高采样频率，结合每个采样节拍下的采样时刻随机化，可以极大的减少脉动流对计量结果的影响，而对于没有脉动流的场合，则降低采样频率，提高电池寿命，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气体超声流量传感器的测量算法，包括以下步骤：

步骤一：

先以f_period的采样频率，采样P_sample点，即采样P_sample/f_period的时间，且P_sample/f_period不应低于2s，对采样值进行P_sample点的FFT计算，得到频域幅值谱；

步骤二：

对P_sample点幅值谱进行排序，计算从最小值开始的共n点幅值谱均值A_avg，从最大值开始依次计算幅值A_i与幅值谱均值A_avg之间的比值A_i/A_avg，若该比值大于 k，记录相应的频率值，对于上述一组频率值，找到其最大频率值f_max；

步骤三：

根据f_max从采样频率枚举值{0.5Hz，1Hz，2Hz，4Hz，8Hz，16Hz......}中挑选合适的f_sample，使得4f_max>f_sample>2f_max；

步骤四：

根据选定采样频率f_sample，在确定的采样周期T＝1/f_sample内，假定采样持续时间是t_sample，计算得到空闲时间t_idle＝T-t_sample，然后进行随机数运算得到随机数 Random，以Random对t_idle进行取余运算得到采样延迟t_delay；

步骤五：

在特定的通讯频率f_c下，取每一个采样周期下的瞬时流量值，对通讯周期内的瞬时流量值直接取算数平均值，即可获取该通讯周期内的工况瞬时流量

优选的，所述FFT计算为快速傅里叶变换算法。

优选的，所述f_period一般取8Hz或16Hz，所述P_sample一般取32点或64点，且P_sample/f_period不应低于2s，所述n一般取0.5*P_sample。

优选的，所述k一般取为10，k为最大周期频率下的幅值与频率基部的比值范围。

优选的，所述最大频率值f_max，是从满足该条件的频率值，通过比较大小获取最大频率值。

优选的，所述采样延迟t_delay，指在某一固定的采样周期内，对上游和下游的一对探头分别进行激励，并通过接收下游或上游的回波信号进行顺流或逆流的飞行时间计算，进而计算出瞬时流量值的过程。

优选的，所述A_i代指P_sample点幅值谱中的某一点，如A_1、A₂、A₃、A_i......A_n。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

一、在有脉动流量的情况下，可以通过高采样频率，降低脉动流对测量精度的影响；进一步的，通过采样延迟时间的随机化处理，进一步较少脉动流量对测量精度的影响。

二、对于应用气体超声流量传感器的燃气仪表，因电池寿命原因，需要有两种模式：正常模式(低采样频率)和测试模式(高采样频率)，本发明可以在非检定情况下，采用自适应的采样频率，降低仪表在正常模式和测试模式下的计量偏差。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：包括以下步骤：

步骤一：

以f_period(2的整数幂)的采样频率，采样P_sample(2的整数幂)点，即采样 P_sample/f_period的时间，且P_sample/f_period不应低于2s，对采样值进行P_sample点的FFT计算， FFT计算为快速傅立叶变换算法，得到频域幅值谱，f_period一般取8Hz或16Hz，P_sample一般取32点或64点。

频域幅值谱作用为，因为要采样频率自适应，所以要先获取被测流量信号的最大频率，所以先要把被测信号转换到频域，计算其周期信号的最大频率值。

步骤二：

对P_sample点幅值谱进行排序，从最小值开始计算，共n点幅值谱均值A_avg，从最大值开始依次计算幅值A_i与幅值谱均值A_avg之间的比值A_i/A_avg，若该比值大于k，记录相应的频率值，对于上述一组频率值，找到其最大频率值f_max。

n点幅值谱均值A_avg，可采用32点FFT计算，得到32点幅值谱,n一般可取 0.5*P_sample。从最小的频谱开始，可以计算16点平均值，A_1、A₂、A₃、A_i......A_n， A_i代指32点幅值谱中的某一点幅值，k一般取为10，k为最大周期频率下的幅值与频率基部的比值范围，若A_i/A_avg越大，该周期信号的特征越明显，最大频率值f_max，是从满足该条件的频率值，通过比较大小获取最大频率值。

步骤三：

根据f_max从采样频率枚举值{0.5Hz，1Hz，2Hz，4Hz，8Hz，16Hz......}中挑选合适的采样频率f_sample，使得4f_max>f_sample>2f_max，遵循奈奎斯特采样定律，采样频率必须高于被测信号频率的两倍以上。

如果f_sample取得合适，则有一种可能，即不需要对采样延迟时间进行随机化，即可满足脉动流状况下，测量精度的要求，因为考虑到功耗的要求，才使得 4f_max>f_sample>2f_max。

步骤四：

根据选定采样频率f_sample，在确定的采样周期T(1/f_sample)内，假定采样持续时间是t_sample，计算得到空闲时间t_idle＝T-t_sample(单位ms，取整)，然后进行随机数运算得到随机数Random，随机运算分为以下四类：1、数值概率算法，2、蒙特卡洛算法，3、拉斯维加斯算法；4、舍伍德算法；选取任意一种均可，不影响测试结果，以Random对t_idle进行取余运算得到采样延迟t_delay；采样延迟t_delay，指在某一固定的采样周期内，对上游和下游的一对探头分别进行激励，并通过接收下游或上游的回波信号进行顺流或逆流的飞行时间计算，进而计算出瞬时流量值的过程。

步骤五：

在特定的通讯频率f_c下(即输出频率下)，比如f_c为0.5Hz(即通讯周期为 2s)，假设采样频率是8Hz(即采样周期为125ms)，取每一个采样周期下的瞬时流量值，对通讯周期内的瞬时流量值直接取算数平均值，即可获取该通讯周期内的工况瞬时流量。

通过上述五个步骤的实施，使得在测量气体流量值时，能够自动调整采样频率，在有脉动流量的时候，调整到高采样频率，在无脉动流量的影响时，采用低采样频率，采用自适应的采样频率，降低仪表在正常模式和测试模式下的计量偏差。

基本思路是：

1、通过FFT运算，得到被测信号的频率，以确定采样的频率；

2、通过采样频率的调节，抑制因为脉动流导致的计量精度下降问题；

3、确定好采样频率后，在某一采样周期内，并不是如传统一样，在采样周期的起始时刻即进行采样，而是在某一随机延迟时刻后进行采样。以进一步提高脉动流下的计量性能。进而减少燃气仪表测试模式和正常模式下，计量精度的偏差。

4、通过在通讯周期内，启动多次采样周期(采样周期按被测信号频率而定)，且在每个采样周期内，采样时刻随机化，在满足电池寿命的前提下(采样频率自适应，且通讯频率固定，可以减少通讯功耗)，提高计量仪表在特定工况的计量性能，降低在不同工作模式下的精度差异。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：包括以下步骤：

先以f_period的采样频率，采样P_sample点，即采样P_sample/f_period的时间，且P_sample/f_period不应低于2s，对采样值进行P_sample点的FFT计算，得到频域幅值谱；

对P_sample点幅值谱进行排序，计算从最小值开始的共n点幅值谱均值A_avg，从最大值开始依次计算幅值A_i与幅值谱均值A_avg之间的比值A_i/A_avg，若该比值大于k，记录相应的频率值，对于上述一组频率值，找到其最大频率值f_max；

根据f_max从采样频率枚举值{0.5Hz，1Hz，2Hz，4Hz，8Hz，16Hz......}中挑选合适的f_sample，使得4f_max>f_sample>2f_max；

根据选定采样频率f_sample，在确定的采样周期T＝1/f_sample内，假定采样持续时间是t_sample，计算得到空闲时间t_idle＝T-t_sample，然后进行随机数运算得到随机数Random，以Random对t_idle进行取余运算得到采样延迟t_delay；

在特定的通讯频率f_c下，取每一个采样周期下的瞬时流量值，对通讯周期内的瞬时流量值直接取算数平均值，即可获取该通讯周期内的工况瞬时流量。

2.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述FFT计算为快速傅里叶变换算法。

3.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述f_period一般取8Hz或16Hz，所述P_sample一般取32点或64点，且P_sample/f_period不应低于2s，所述n一般取0.5*P_sample。

4.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述k一般取为10，k为最大周期频率下的幅值与频率基部的比值范围。

5.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述最大频率值f_max，是从满足该条件的频率值，通过比较大小获取最大频率值。

6.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述采样延迟t_delay，指在某一固定的采样周期内，对上游和下游的一对探头分别进行激励，并通过接收下游或上游的回波信号进行顺流或逆流的飞行时间计算，进而计算出瞬时流量值的过程。

7.根据权利要求1所述的一种气体超声流量传感器的测量算法，其特征在于：所述A_i代指P_sample点幅值谱中的某一点幅值，如A_1、A₂、A₃、A_i......A_n。