CN116878599A - 一种超声水表的流量计量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流量计量技术领域，公开了一种超声水表的流量计量方法，包括以下步骤：水表发送分段式脉冲激励发射端换能器生成仿真测量信号。水表获取实际测量信号；提取包络曲线。找到仿真测量信号实际测量信号包络曲线谷点。对仿真、实际测量信号进行多点互相关计算并插值计算最大值位置；计算仿真、实际测量信号的时间差；时间差与预设等待时间相加得绝对飞行时间。重复上述步骤获取反向绝对飞行时间；计算得到流量。本发明使用分段式信号激励换能器获取实际测量信号，同时获取仿真测量信号，提取二者包络寻找特征点位置进行计算，获取精确的绝对飞行时间，解决了微小变化导致绝对飞行时间估计不准而影响计量误差的问题，实现流量精准计量。

Description

一种超声水表的流量计量方法
技术领域
本发明涉及流量计量技术领域，尤其涉及一种超声水表的流量计量方法。
背景技术
超声水表凭借着始动流量小、压损小、计量精度高等优点，广泛应用于流量测量领域，上下游绝对飞行时间不仅可计算时间差从而获取流量计量，还可以计算温度，最终对流量校准提供指导性数据，因此上下游超声波信号的绝对飞行时间是否精确至关重要。
绝对飞行时间通常是几ns的量级，对于流量或环境温度改变引起的微小变化，并不能十分精确反映到绝对飞行时间上，导致整个计量过程存在误差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声水表的流量计量方法，解决了因微小变化导致绝对飞行时间估计不精确，从而影响计量误差的问题，从而实现对流量的精准计量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种超声水表的流量计量方法，包括以下步骤。
S1，超声水表的信号发生器先发送n个周期为T的正相脉冲，再发送m个周期为T的反相脉冲，发送的正、反相脉冲组合形成分段式脉冲。
分段式脉冲用于激励发射端超声换能器，同时，超声水表内的仿真模块生成与当次激励对应的仿真测量信号X。
S2，经历预设等待时间后，超声水表的信号采集器获取实际测量信号Y。
分别提取仿真测量信号与实际测量信号的包络曲线。
S3，为保证特征点位置处于信号区，以固定步长，从大于预设阈值的第一个极值点开始向后检索并记录检索长度，直至找到仿真测量信号包络曲线的谷点的位置x0与实际测量信号包络曲线谷点的位置xg，若检索长度大于mT*q还未找到包络曲线谷点，则使用上次计算确定的谷点位置作为本次计算确定的谷点位置。
其中q为一个周波的采样点数。
S4，以x0-xg处为中点，对仿真测量信号与实际测量信号进行多点互相关计算并插值计算互相关计算结果的最大值位置。
利用最大值位置与采样参数计算仿真测量信号与实际测量信号间的时间差。
将时间差与预设等待时间相加获得绝对飞行时间。
S5，重复上述步骤，获取反向的信号绝对飞行时间。
根据上下游信号的绝对飞行时间与校准系数计算得到流量。
优选地，所述步骤S1中发送的正反相脉冲数应保证反相激励能够出现，因此m≥M，M为能引起反相激励的最小波数，与超声换能器的材料、阻尼特性有关。
优选地，所述步骤S1中的仿真模块是基于换能器信号收发原理建立的仿真模型，包括但不限于数值模型、有限元模型。
仿真测量信号与实际测量信号的采样参数保持一致，包括但不限于采样率、信号长度。
优选地，所述步骤S3中的预设阈值根据信号强度设定，固定步长根据发送的脉冲数选择。
优选地，所述步骤S4中多点互相关计算公式如下。
。
式中Rxy为仿真测量信号X与实际测量信号Y的互相关结果，β为互相关计算的序号，N为信号长度，a为多点互相关点数，根据实际测量信号的采样率设定。
优选地，所述仿真模型能够仿真分段式激励信号经过发射端与接收端的两个换能器后的振动状态。
仿真测量信号的获取与分段式激励信号的发送之间没有时间间隔或时间间隔可以忽略。
本发明的有益技术效果：使用分段式激励信号激励换能器获取实际测量信号，同时获取仿真测量信号，提取二者的包络寻找特征点位置，依据特征点的位置进行相关计算，从而获取精确的绝对飞行时间。解决了因微小变化导致绝对飞行时间估计不精确，从而影响计量误差的问题，从而实现对流量的精准计量。
附图说明
图1为本发明的总体流程图。
图2为本发明实施例中分段式激励信号示意图。
图3为本发明实施例中获取的仿真测量信号与实际测量信号示意图。
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，一种超声水表的流量计量方法，包括以下步骤。
S1，以某型号超声水表为例，利用超声水表的信号发生器先发送20个周期为50μs 的正相脉冲，再发送6个周期为50μs的反相脉冲，如图2所示，将这种的分段式脉冲用 于激励发射端超声换能器，激励发出的同时基于表内的仿真模块生成与当次激励对应的仿 真测量信号X。
仿真模块是基于换能器收发信号原理建立的数值仿真模型，本实施例中，仿真测量信号与实际测量信号的采样率为8MHz、信号长度为240点，如图3所示。
S2，经历设定的等待时间后，信号到达接收端换能器，利用超声水表的信号采集器获取实际测量信号Y，分别提取仿真测量信号与实际测量信号的包络曲线，本实施例中采用希尔伯特变换法提取包络。
S3，为保证特征点位置处于信号区，检索大于信号强度50%的第一个极值点，从第一个极值点开始以4为步长向后检索，并记录检索长度，直至找到包络曲线的谷点，仿真信号包络曲线谷点的位置x0为92，测量信号包络曲线谷点的位置xg为125。
S4，以33为中点，将仿真测量信号与实际测量信号进行三点互相关计算，互相关计算公式如下。
。
式中Rxy为仿真测量信号X与实际测量信号Y相关后结果，N等于240，为信号长度，a等于3。
插值计算相关结果的最大值位置为33.23，利用最大值位置与采样参数计算仿真测量信号与实际测量信号间的时间差，并与设定的等待时间相加获得绝对飞行时间。
S5，利用步骤S1~S4获取另一端换能器的绝对飞行时间，根据上下游信号的绝对飞行时间与校准系数计算得到管内流量。
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)

1.一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，超声水表的信号发生器先发送n个周期为T的正相脉冲，再发送m个周期为T的反相脉冲，发送的正、反相脉冲组合形成分段式脉冲；
分段式脉冲用于激励发射端超声换能器，同时，超声水表内的仿真模块生成与当次激励对应的仿真测量信号X；
S2，经历预设等待时间后，超声水表的信号采集器获取实际测量信号Y；
分别提取仿真测量信号与实际测量信号的包络曲线；
S3，为保证特征点位置处于信号区，以固定步长，从大于预设阈值的第一个极值点开始向后检索并记录检索长度，直至找到仿真测量信号包络曲线的谷点的位置x0与实际测量信号包络曲线谷点的位置xg，若检索长度大于mT*q还未找到包络曲线谷点，则使用上次计算确定的谷点位置作为本次计算确定的谷点位置；
其中q为一个周波的采样点数；
S4，以x0-xg处为中点，对仿真测量信号与实际测量信号进行多点互相关计算并插值计算互相关计算结果的最大值位置；
利用最大值位置与采样参数计算仿真测量信号与实际测量信号间的时间差；
将时间差与预设等待时间相加获得绝对飞行时间；
S5，重复上述步骤，获取反向的信号绝对飞行时间；
根据上下游信号的绝对飞行时间与校准系数计算得到流量。
2.根据权利要求1所述的一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，所述步骤S1中发送的正反相脉冲数应保证反相激励能够出现，因此m≥M，M为能引起反相激励的最小波数，与超声换能器的材料、阻尼特性有关。
3.根据权利要求1所述的一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，所述步骤S1中的仿真模块是基于换能器信号收发原理建立的仿真模型，包括但不限于数值模型、有限元模型；
仿真测量信号与实际测量信号的采样参数保持一致，包括但不限于采样率、信号长度。
4.根据权利要求1所述的一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，所述步骤S3中的预设阈值根据信号强度设定，固定步长根据发送的脉冲数选择。
5.根据权利要求1所述的一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，所述步骤S4中多点互相关计算公式如下：
；
式中Rxy为仿真测量信号X与实际测量信号Y的互相关结果，β为互相关计算的序号， N为信号长度，a为多点互相关点数，根据实际测量信号的采样率设定。
6.根据权利要求3所述的一种超声水表的流量计量方法，其特征在于，所述仿真模型能够仿真分段式激励信号经过发射端与接收端的两个换能器后的振动状态；
仿真测量信号的获取与分段式激励信号的发送之间没有时间间隔或时间间隔可以忽略。
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