CN117029975A - 一种超声波燃气表的多环境自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波燃气表的多环境自适应方法，其特征在于：包括步骤：采集一批次中每只超声波燃气表在不同气体环境下的飞行时间、示值误差，计算该批次超声波燃气表的飞行时间修正值；在零流量环境下，通过测算每只超声波燃气表的平均个体时差误差，对测量的瞬时流速进行校准；超声波燃气表投入使用后，实时获取回波信号的幅值，若幅值不在预设的幅值范围内，则通过调整升压等级和增益级数对幅值进行调整。本发明针对超声波燃气表在不同气体环境下的回波信号幅值不一致且校准系数不一致的问题，设计一种多环境的自适应方法，使得超声波燃气表校准后，能在各种环境下自适应，提高测量气体流量的准确性。

Description

一种超声波燃气表的多环境自适应方法

技术领域

本发明涉及超声波校准技术领域，特别涉及一种超声波燃气表的多环境自适应方法。

背景技术

在燃气计量领域中，目前使用最多的远传燃气表为膜式燃气表，但其存在结构复杂、易产生机械磨损、计量精度逐渐劣化等缺点。超声波燃气表作为一种纯数字式的计量仪器，因其工作性能稳定、远程超表安全高效、计量精准可靠、易实现数字化而成为一种必然的发展趋势。

超声波燃气表中依靠一对超声波换能器采集声波信号，根据飞行时差法测量流体的瞬时流速v_z，然后可将瞬时流速v_z换算为瞬时流量v。以换能器Z型分布的流道为例，如图1所示的A和B是一对超声波换能器，声波信号与水平方向的夹角为，流道高度为D，待测量气体以速度v通过该流道。测量时，超声波换能器A和B分别交替发送和接收声波信号，其中由A发射B接收的信号沿顺流方向传递，称为“下飞信号”，反之称为“上飞信号”。记上飞信号和下飞信号的飞行时间分别为t_u和t_d：

其中，c为当前状态下的声速。测量超声波飞行时间时，选用双阈值-时差法，如图2所示，其原理大致如下：设定第一个电压阈值即首波阈值，用于检测回波信号（回波信号指超声波换能器接收端收到的声波信号）的首波，当回波信号高于此电平时，判断超声波已到达；设定第二电压阈值即过零阈值，用于检测回波信号首波之后的过零点（如图2中过零阈值线上的小圆圈）。测量飞行时间t_u和t_d时，通常选择数个过零点时间对其平均，以获得相对稳定的飞行时间。

基于t_u和t_d，可以推导出瞬时流速v_z为：

将瞬时流速v_z换算为瞬时流量v时，需要考虑流道横截面积的值，由于流道模具受到如模具光洁度、换能器个体差异、模具安装角度等的影响，实际的瞬时流量v应记为v=k·v_z，其中k为待估计参数，且各表之间存在差异。

但是现有的超声波燃气表在不同气体环境下的校准系数大多不统一，甚至可能出现无法正常工作的问题。

发明内容

本发明的目的在于使超声波燃气表在不同气体环境下的校准系数统一，提高超声波燃气表的流量测量准确性提供一种超声波燃气表的多环境自适应方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种超声波燃气表的多环境自适应方法，包括以下步骤：

步骤1，采集一批次中每只超声波燃气表在不同气体环境下的飞行时间、示值误差，计算该批次超声波燃气表的飞行时间修正值；

步骤2，在零流量环境下，通过测算每只超声波燃气表的平均个体时差误差，对测量的瞬时流速进行校准；

步骤3，超声波燃气表投入使用后，实时获取回波信号的幅值，若幅值不在预设的幅值范围内，则通过调整升压等级和增益级数对幅值进行调整。

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1，准备至少两种气体环境的测试条件，记录一种气体环境的大流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间和/>，u表示上飞信号，d表示下飞信号，i表示第i只超声波燃气表，i=1,2,...,n；记录另一种气体环境的相同流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间/>和/>；

步骤1-2，在其中两种气体环境下，分别测试每只超声波燃气表在流量q_max下的多次示值误差，并计算平均示值误差、/>；

步骤1-3，记超声波燃气表的换能器的中心振动周期为T₀，对每只超声波燃气表寻找一个整数x_i，使得x_i满足等式要求：

步骤1-4，记，则本批次超声波燃气表的飞行时间修正值为/>。

在上述方案中，由于测量气体的瞬时流速需要飞行时间的参数，在测量的飞行时间和实际的飞行时间会因在不同气体环境下产生误差，所以通过步骤1的技术方案计算飞行时间修正值，对测量的飞行时间进行修正，以提高瞬时流速的测量准确性。

所述步骤2具体包括以下步骤：

将超声波燃气表置于零流量环境中，持续测量飞行时间差：

求得零流量下的平均个体时差误差，N为测量总次数；

使用平均个体时差误差更新瞬时流速v_z的计算式：

其中，D为流道高度，t_u为上飞信号的飞行时间，t_d为下飞信号的飞行时间，为声波信号与水平方向的夹角。

在上述方案中，由于一批次超声波燃气表生产出来时会存在个体差异，因此计算每只超声波燃气表的个体时差误差，将个体时差误差写回背景技术中原本的瞬时流速计算式，对瞬时流速的计算式进行校准。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1，设定幅值允许变化的范围为[V_l,V_h]，V_l为幅值低限，V_h为幅值高限；记运算放大器的增益级数为G，设定允许变化的范围为[G_min,G_max]，G_min为最小增益级数，G_max为最大增益级数；记升压电路的升压等级为C，设定允许变化的范围为[C_min,C_max]，C_min为最小升压等级，C_max为最大升压等级；初始化列表D_V={}，用于存放回波信号的最大幅值V，D_V的最大长度为n；

步骤3-2，执行测量任务时，采样获取当前回波信号的最大幅值V，加入列表D_V；若列表D_V的当前长度小于n，则重复执行步骤3-2，否则执行步骤3-3；

步骤3-3，计算列表D_V中数据的平均值，以获取近n次回波信号的平均最大幅值；若/>，执行步骤3-4；若/>，执行步骤3-5；若/>，返回步骤3-2；

步骤3-4，此时需要提升幅值，若升压等级，执行C=C+1；若升压等级，则判断增益级数G，若/>，执行G=G+1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若/>，则终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2；

步骤3-5，此时需要降低幅值，若升压等级，执行C=C-1；若升压等级，则判断增益级数G，若/>，执行G=G-1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若/>，则终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2。

在上述方案中，超声波燃气表投入使用后，对于实时采集的声波信号，本方案对回波信号幅值的自适应调整依靠外部运算放大器的增益级数和内部升压电路的升压等级进行控制，可使不同气体环境下的回波信号幅值基本保持一致，使得首波阈值内有且仅有一个波峰，由此保证检测的过零点位置在不同气体环境下一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明针对超声波燃气表在不同气体环境下的回波信号幅值不一致且校准系数不一致的问题，设计一种多环境的自适应方法，使得超声波燃气表校准后，能在各种环境下自适应，提高测量气体流量的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为背景技术中超声波换能器设置示意图；

图2为背景技术中双阈值-时差法下回波信号的包络示意图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。另外，术语“相连”、“连接”等可以是元件之间直接相连，也可以是经由其他元件的间接相连。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图3所示，一种超声波燃气表的多环境自适应方法，包括以下步骤：

步骤1，采集一批次中每只超声波燃气表在不同气体环境下的飞行时间、示值误差，计算该批次超声波燃气表的飞行时间修正值。

使用双阈值-时差法测量的飞行时间与实际超声波飞行时间存在差异，测量的飞行时间与实际不一致是导致不同气体环境下流量-误差曲线不一致的最大原因。在生产完一批超声波燃气表模组后，投入使用之前，抽样n只超声波燃气表通过本步骤获取合理的飞行时间修正值。

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1，准备至少两种气体环境的测试条件，此处以空气和纯甲烷为例。记录空气环境的大流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间和/>，a表示空气环境，u表示上飞信号，d表示下飞信号，i表示第i只超声波燃气表，i=1,2,...,n；同理，记录纯甲烷环境的相同流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间/>和/>，g表示纯甲烷环境。

步骤1-2，在两种气体环境下，分别测试每只超声波燃气表在流量q_max下的多次示值误差，并计算平均示值误差、/>。

步骤1-3，记超声波燃气表的换能器的中心振动周期为T₀，对每只超声波燃气表寻找一个整数x_i，使得x_i满足等式要求：

该等式为两种气体环境下的比值，当测试多种气体环境时，寻找的整数x_i需满足两两气体环境下上述等式的比值。

步骤1-4，记，则本批次超声波燃气表的飞行时间修正值为/>。

飞行时间修正后可保证在不同气体环境中测量的超声波燃气表飞行时间与实际飞行时间更接近，由此大幅提升不同气体环境下流量-误差曲线的一致性。

步骤2，在零流量环境下，通过测算每只超声波燃气表的平均个体时差误差，对测量的瞬时流速进行校准。

由于一批次的超声波燃气表存在个体差异，在不同气体环境下的小流量下，示值误差不同主要由飞行时差决定，因此在超声波燃气表生产完成后，投入使用前，将其置于标准测试温度下，并保证零流量环境中进行校准。校准过程持续5分钟以上，在此期间超声波燃气表以125ms/次的频率不断测量飞行时差/>，最终求得零流量下的平均个体时差误差/>，N为测量总次数。

此过程完成后，将平均个体时差误差的值写回超声波燃气表，将瞬时流速v_z的计算式更新为：

其中，D为流道高度，t_u为上飞信号的飞行时间，t_d为下飞信号的飞行时间，为声波信号与水平方向的夹角。

再将瞬时流速v_z转换为瞬时流量v：

其中，k为待估计参数。

步骤3，超声波燃气表投入使用后，实时获取回波信号的幅值，若幅值不在预设的幅值范围内，则通过调整升压等级和增益级数对幅值进行调整。

由于不同气体环境下声波信号的包络一样但衰减程度不同，需要设计回波信号自适应的方法使其在各种气体环境下幅值保持基本一致，以此保证在多种气体环境下仅有回波信号的首波在设定的首波阈值内，首波阈值的设定尽量保持静态且应有较高的容错率，即不应出现错波的现象，否则会出现的情况是：如图2所示，若回波信号的幅值太小，则在回波信号的起始端会有多个波峰在首波阈值内；若回波信号的幅值太大，则回波信号的首波不会在首波阈值内，两种情况都会导致检测的过零点数量不准确，最终使得测量的瞬时流速不准确。

超声波燃气表投入使用后，对于实时采集的声波信号，本方案对回波信号幅值的自适应调整依靠外部运算放大器的增益级数和内部升压电路的升压等级进行控制，其中增益级数会大幅提升回波信号的幅值，但将噪声也一起放大；升压等级仅小幅提升回波信号的幅值，且不会放大噪声。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1，设定幅值允许变化的范围为[V_l,V_h]，V_l为幅值低限，V_h为幅值高限；记运算放大器的增益级数为G，设定允许变化的范围为[G_min,G_max]，G_min为最小增益级数，G_max为最大增益级数；记升压电路的升压等级为C，设定允许变化的范围为[C_min,C_max]，C_min为最小升压等级，C_max为最大升压等级；初始化列表D_V={}，用于存放回波信号的最大幅值V，D_V的最大长度为n。

步骤3-2，执行测量任务时，用AD采样获取当前回波信号的最大幅值V，加入列表D_V。若列表D_V的当前长度小于n，则重复执行步骤3-2，否则执行步骤3-3。

步骤3-3，计算列表D_V中数据的平均值，以获取近n次回波信号的平均最大幅值。若/>，执行步骤3-4；若/>，执行步骤3-5；若/>，返回步骤3-2。

步骤3-4，此时需要提升幅值，若升压等级，执行C=C+1；若升压等级，则判断增益级数G，若/>，执行G=G+1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若/>，则说明升压等级和增益级数都已达上限，不适合该种气体的测量，应终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2。

步骤3-5，此时需要降低幅值，若升压等级，执行C=C-1；若升压等级，则判断增益级数G，若/>，执行G=G-1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若/>，则说明升压等级和增益级数都已达下限，不适合该种气体的测量，应终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2。

在超声波燃气表执行测量任务的过程中加入步骤3的机制，可使不同气体环境下的回波信号幅值基本保持一致，使得首波阈值内有且仅有一个波峰，由此保证检测的过零点位置在不同气体环境下一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种超声波燃气表的多环境自适应方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，采集一批次中每只超声波燃气表在不同气体环境下的飞行时间、示值误差，计算该批次超声波燃气表的飞行时间修正值；

步骤2，在零流量环境下，通过测算每只超声波燃气表的平均个体时差误差，对测量的瞬时流速进行校准；

步骤3，超声波燃气表投入使用后，实时获取回波信号的幅值，若幅值不在预设的幅值范围内，则通过调整升压等级和增益级数对幅值进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表的多环境自适应方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1，准备至少两种气体环境的测试条件，记录一种气体环境的大流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间和/>，u表示上飞信号，d表示下飞信号，i表示第i只超声波燃气表，i=1,2,...,n；记录另一种气体环境的相同流量q_max下每只超声波燃气表的上飞信号和下飞信号的飞行时间/>和/>；

步骤1-2，在其中两种气体环境下，分别测试每只超声波燃气表在流量q_max下的多次示值误差，并计算平均示值误差、/>；

步骤1-3，记超声波燃气表的换能器的中心振动周期为T₀，对每只超声波燃气表寻找一个整数x_i，使得x_i满足等式要求：

步骤1-4，记，则本批次超声波燃气表的飞行时间修正值为/>。

3.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表的多环境自适应方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：

将超声波燃气表置于零流量环境中，持续测量飞行时间差：

求得零流量下的平均个体时差误差，N为测量总次数；

使用平均个体时差误差更新瞬时流速v_z的计算式：

其中，D为流道高度，t_u为上飞信号的飞行时间，t_d为下飞信号的飞行时间，为声波信号与水平方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表的多环境自适应方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1，设定幅值允许变化的范围为[V_l,V_h]，V_l为幅值低限，V_h为幅值高限；记运算放大器的增益级数为G，设定允许变化的范围为[G_min,G_max]，G_min为最小增益级数，G_max为最大增益级数；记升压电路的升压等级为C，设定允许变化的范围为[C_min,C_max]，C_min为最小升压等级，C_max为最大升压等级；初始化列表D_V={}，用于存放回波信号的最大幅值V，D_V的最大长度为n；

步骤3-2，执行测量任务时，采样获取当前回波信号的最大幅值V，加入列表D_V；若列表D_V的当前长度小于n，则重复执行步骤3-2，否则执行步骤3-3；

步骤3-3，计算列表D_V中数据的平均值，以获取近n次回波信号的平均最大幅值；若，执行步骤3-4；若/>，执行步骤3-5；若/>，返回步骤3-2；

步骤3-4，此时需要提升幅值，若升压等级，执行C=C+1；若升压等级/>，则判断增益级数G，若/>，执行G=G+1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若，则终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2；

步骤3-5，此时需要降低幅值，若升压等级，执行C=C-1；若升压等级/>，则判断增益级数G，若/>，执行G=G-1，C=(C_min+C_max)/2，直到/>；若，则终止测量任务，并清空列表D_V，返回步骤3-2。