CN116735908A - 基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法，属于超声技术领域。测量架构仅由AD采集单元和算法处理单元组成。AD采集单元用于将超声波模拟信号转换为数字信号；算法处理单元用于完成阈值法和互相关计算，以及输出最终的超声波渡越时间。本发明结合阈值法和互相关算法的优点，首先通过阈值法确定渡越时间初始值，再通过互相关算法确定渡越时间修正值，最后结合初始值和修正值得到渡越时间最终值。解决了高流速过程中顺逆流过程易出现的渡越时间“跳波”问题，流量测量精度和测量稳定性可以得到保证，测量精度可达±1％。本发明测量架构简单，测量架构仅由AD采集单元和算法处理单元组成，功耗、成本可以得到大幅度降低。

Description

基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法

技术领域

本发明属于超声技术领域，涉及基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法。

背景技术

超声波渡越时间是指超声波信号从发出到接收所经历的时间，通过测量流体中顺流和逆流过程的超声波渡越时间，可以计算流体的速度和流量。超声波渡越时间影响流速测量精度，当超声波接收波形受噪声干扰和流场扰动影响，超声波渡越时间容易出现前移一个周期或后移一个周期的现象，称之为跳波现象。当管道内气体流速较高时，超声波接收幅值会因气体可压缩性而变得忽大忽小，跳波现象会变得更加频繁，导致流量测量误差变大。

常用于超声波渡越时间测量的算法有阈值法和互相关算法。阈值法是指设定一个比较门限，当超声波接收幅值高于该门限时，则认为有效波形达到，该比较时刻作为特征时刻被记录，然后减去固定延时即得到超声波渡越时间；互相关算法是指接收波形与参考波形进行相似度比较，当相似度最高时刻则认为是特征时刻，同样减去固定延时即得到渡越时间。

阈值法较为简单，当气体流速较高导致接收波形抖动剧烈时，跳波现象难以避免；互相关算法的参考波形不易选取，当环境温度改变较大时，超声波接收波形容易发生较大改变，从而导致参考波形和实际接收波形相关性下降，最终输出错误结果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法。测量架构仅由AD采集单元和算法处理单元组成。AD采集单元用于将超声波模拟信号转换为数字信号；算法处理单元用于完成阈值法和互相关计算，以及输出最终的超声波渡越时间。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：阈值法确定渡越时间初始值

超声波采样序列记为AD(i)，i＝1～8192；

首先，设定2个阈值门限K1、K2，并与超声波采样序列进行比较，当超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时，记录当前时刻t1、t2；其次，搜索超声波采样序列在t1、t2区间第一次由负值变为正值的时刻t；最后，t时刻减去2个超声波周期的时间记为超声波渡越时间tof，得到顺逆流过程的超声波渡越时间tof_s、tof_n；

S2：互相关算法确定渡越时间修正值

选取顺流过程的一段特征波形为参考波形X(t)，该段波形的起止时间为t3、t4，t3和t4为超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2的同周期起始点和同周期结束点；

选取逆流过程的采样波形为实测波形Y(t)，将顺流过程的参考波形X(t)和逆流过程的实测波形Y(t)进行互相关计算，互相关函数如下：

当t＝τ时R_xy取最大值，即当t＝τ时参考波形和实测波形的相关性最好；

根据以下方法进行渡越时间修正：

1)若t1<τ<t2

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n+T；

2)若τ<t1-T

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n-T；

其中，t1、t2为逆流过程超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时的记录时间；tof_s、tof_n为根据阈值法确定的渡越时间初始值；T为超声波信号周期，当超声波频率是200kHz，信号周期为5us。

本发明的有益效果在于：

首先，本发明结合阈值法和互相关算法的优点，首先通过阈值法确定渡越时间初始值，再通过互相关算法确定渡越时间修正值，最后结合初始值和修正值得到渡越时间最终值。解决了高流速过程中顺逆流过程易出现的渡越时间“跳波”问题，流量测量精度和测量稳定性可以得到保证，测量精度可达±1％。

其次，本发明测量架构简单，测量架构仅由AD采集单元和算法处理单元组成，功耗、成本可以得到大幅度降低。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为阈值法确定渡越时间示意图；

图2为阈值法软件流程图；

图3为顺流参考波形；

图4为互相关匹配示意图；

图5为本发明整体过程软件流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

测量架构仅由AD采集单元和算法处理单元组成，AD采集单元用于将超声波模拟信号转换为数字信号；算法处理单元用于完成阈值法和互相关计算，以及输出最终的超声波渡越时间。

测量步骤分以下2个步骤进行：

(1)阈值法确定渡越时间初始值

如图1所示，超声波采样序列记为AD(i),i＝1～8192。

首先，设定2个阈值门限K1、K2，并与超声波采样序列进行比较，当超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时，记录当前时刻t1、t2；其次，搜索超声波采样序列在t1、t2区间第一次由负值变为正值的时刻t；最后，t时刻减去2个超声波周期的时间记为超声波渡越时间tof。该过程的软件流程如图2所示。

按照图2所示软件流程可以分别得到顺逆流过程的超声波渡越时间tof_s、tof_n。

(2)互相关算法确定渡越时间修正值

选取顺流过程的一段特征波形为参考波形X(t)，如图3所示。该段波形的起止时间为t3、t4，(t3,t4为超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2的同周期起始点和同周期结束点)

选取逆流过程的采样波形为实测波形Y(t)，将顺流过程的参考波形X(t)和逆流过程的实测波形Y(t)进行互相关计算，互相关函数如下：

由互相关函数可知，当t＝τ时R_xy取最大值，即当t＝τ时参考波形和实测波形的相关性最好。如图4所示。

根据以下方法进行渡越时间修正：

1)若t1<τ<t2

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n+T；

2)若τ<t1-T

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n-T；

其中，t1、t2为逆流过程超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时的记录时间；tof_s、tof_n为根据阈值法确定的渡越时间初始值；T为超声波信号周期，如超声波频率是200kHz，则信号周期为5us。

整个完整过程的软件流程如图5所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于阈值法与互相关的超声波渡越时间组合测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：阈值法确定渡越时间初始值；

超声波采样序列记为AD(i)，i＝1～8192；

首先，设定2个阈值门限K1、K2，并与超声波采样序列进行比较，当超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时，记录当前时刻t1、t2；其次，搜索超声波采样序列在t1、t2区间第一次由负值变为正值的时刻t；最后，t时刻减去2个超声波周期的时间记为超声波渡越时间tof，得到顺逆流过程的超声波渡越时间tof_s、tof_n；

S2：互相关算法确定渡越时间修正值；

选取顺流过程的一段特征波形为参考波形X(t)，该段波形的起止时间为t3、t4，t3和t4为超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2的同周期起始点和同周期结束点；

选取逆流过程的采样波形为实测波形Y(t)，将顺流过程的参考波形X(t)和逆流过程的实测波形Y(t)进行互相关计算，互相关函数如下：

当t＝τ时R_xy取最大值，即当t＝τ时参考波形和实测波形的相关性最好；

根据以下方法进行渡越时间修正：

1)若t1<τ<t2

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n+T；

2)若τ<t1-T

则tof_s＝tof_s，tof_n＝tof_n-T；

其中，t1、t2为逆流过程超声波采样序列首次大于或等于阈值K1、K2时的记录时间；tof_s、tof_n为根据阈值法确定的渡越时间初始值；T为超声波信号周期，当超声波频率是200kHz，信号周期为5us。