CN117168583B - 燃气表的过零检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃气表的过零检测方法和检测装置。一种燃气表的过零检测方法，包括：步骤1：控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比，并将信号幅值和信噪比分别发送给信号发射端和信号接收端；步骤2：信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置的初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号。本申请所提供的技术方案，在进行过零检测时，能够根据天然气组成成分的变化，而不断的调整信号发射端和信号接收端的功率，在保证双方功率最低的情况下，保证信号接收端能够接收到稳定的头波信号。

Description

燃气表的过零检测方法和检测装置

技术领域

本申请涉及燃气表技术领域，具体而言，涉及一种燃气表的过零检测方法和检测装置。

背景技术

超声波燃气表通过布置在上下游的两个换能器来进行工作，其中一个发射超声波信号，另一个换能器接收超声波信号，接收信号的换能器需要进行过零检测，也就是准确的查找到信号的头波，才能高精度的完成燃气计量工作。

而超声波信号在气体中会发生衰减，进而导致接收端接收的信号中，因为信噪比太低，而容易导致头波丢失，（也就是说，信息的波形峰值在气体中会逐渐衰减，导致其峰值降低，与无信息的噪声信号杂波的峰值变得相似，从而无法区分出代表信号的波形峰值和噪声信号的杂波）。为此，针对这一问题，需要对换能器进行调整，使得发射端发射的超声波信号强度能够达到一定的级别，进而在经过衰减之后，在接收端能够接收到稳定的信号，保证接收端能够准确的找到头波。

但是，在燃气表中，因为测量的介质是天然气，天然气的组成成分会发生变化，所以超声波信号在天然气中衰减情况并不一致。如此，在过零检测中，如果仅仅是增加超声波信号发射端的信号幅值，虽然能够保证接收到更加明显的超声波信号。但是，天然气的成分是一直变化，有的时候天然气的成分，对于信号的衰减小，有的时候天然气的成分对于信号的衰减大，所以盲目的增加发射端的超声波信号强度，会导致很多换能器的平均功率太高，从而导致系统的功耗大。

而燃气表一般都是电池供电，电池的电量制约燃气表的功耗，所以燃气表的功耗太高，在使用电池供电的环境下，容易导致超声波燃气表的预计使用寿命降低。同时，换能器高功耗的工作，也容易导致超声波换能器的寿命减少，进而导致燃气表的使用寿命减少。

而如果在接收端直接对接收到的信号进行放大，则会导致信号和噪声一起放大，只有在带通滤波器的介入下，才能够具有比较好信噪比。但是，在实践中，仅仅在信号接收端对信号进行放大，也难以保证能够准确的检测到头波。

综上所述：目前缺乏一种能够在应对天然气的组成成分会一直发生变化，而导致超声波信号衰减一直变化的情况下，保证燃气表在进行过零检测时，在接收端能够稳定地准确识别信号头波的情况下，还能够实现信号发送和接收的功耗最低、燃气表寿命更长的燃气表的过零检测方法和检测装置。

发明内容

本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

作为本申请的第一个方面，为了解决以上背景技术部分提到的技术问题，本申请的一些实施例提供了一种燃气表的过零检测方法，包括：

步骤1：控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比，并将信号幅值和信噪比分别发送给信号发射端和信号接收端；

步骤2：信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置的初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号；

步骤3：控制模块根据激励信号向信号发射端和/或信号接收端发送增益信号，直至信号接收端接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比达到预先配置的信号幅值和信号比；

信号发射端接收到激励信号后，调整信号幅值和信噪比；

信号接收端接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数。

本申请所提供的方案中，在超声波燃气表进行过零检测时，会不断的检测信号接收端接收到的信号特征，在接收到的信号中，信号幅值和信噪比小于预先配置初始的信号幅值和信噪比时，则控制模块会分别向信号发射端和信号接收端发送激励信号，进而信号发射端和信号接收端根据激励信号，调整信号发射端的信号幅值和信噪比，同时又调整信号接收端的对于信号的放大倍数，所以能够保证信号接收端接收的信号，其信噪比和幅值都在预定的范围内。如此，在进行过零检测时，能够根据天然气组成成分的变化，而不断的调整信号发射端和信号接收端的功率，在保证双方功率最低的情况下，保证信号接收端能够接收到稳定的头波信号。

在天然气贸易中，天然气的组成成分是不可能一层不变的。而不同的天然气组成成分对于声波信号的衰减能力不同；所以，信号幅值和信噪比在设置时所带入的天然气场景，与监测时的天然气组成成分不同，则就会导致需要重新进行调整，所以导致了燃气表的过零检测时间长。针对这一问题，本申请提供如下技术方案：

进一步的，步骤1中，控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比时，根据信号发射端和信号接收端在测试环境中，信号接收端能够检测到的具有稳定头波时的信号幅值和信噪比所确定；测试环境中各气体的浓度为天然气实际贸易中各个组分的平均浓度。

在天然气贸易过程中，虽然不能够保证天然气的成分基本保持一致，但是，可以预见天然气的的组成成分大致呈现出正态分布的特点。所以本方案中，测试环境中各气体的浓度为天然气实际贸易中各个组分的平均浓度，所以在该环境下来确定初始的信号幅值和信噪比，所以初始的信号幅值和信噪比与大部分时间下天然气的组成成分相互匹配，所以在进行过零检测时，需要调整的情况少，进而增加了过零检测的效率。

信号发射端和信号接收端在进行过零检测时，一般都是从最小的信号幅值开始，进行过零检测，直到信号接收端能够接收到稳定的检测信号为止。这种方式，在实际使用中，需要多次调整，所以过零检测的效率很低。

进一步的，步骤2中，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比，为步骤1中配置初始的信号幅值和信噪比时，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比。

本申请所提供的方案中，信号发射端初始发射的超声波信号的信号幅值和信噪比为预先配置的信号幅值和信噪比；因为，在步骤1中，在测试环境下配置信号幅值和信噪比时，并不是仅仅计算出了信号接收端所需要的信号幅值和信噪比的大小。而是在测试环境下，由信号发射端发射信号信号接收端接收信号，所以在测试时，不仅仅有信号接收端所接收到的信号幅值和信噪比数据，还有信号发射端所发射的信号幅值和信噪比的数据，所以信号发射端发射的信号幅值和信噪比以此方式来确定，如此在大部分下，并不需要进行调整，如此，增加了过零检测的效率。

进一步的，步骤3中：信号发射端接收到激励信号之后，通过升压电路调整信号发射端的信号发射模块的工作电压。

通过升压电路增加信号发射模块的工作电压之后，能够直接增加信号发射端发射的信号质量，相比较于在信号接收端对信号进行放大，这种方式不会将噪声信号也放大，所以能够更好的调整信号接收端接收的信号质量。

进一步的，步骤3中，信号接收端在接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数。

本申请所提供的方案中，信号接收端在对信号进行放大时，依次使用放大器和增益放大器进行放大，所以能够对信号进行多级调节，进而能够更加精准的对信号进行调整，从而能够更好的适应，天然气贸易中，不断变化的天然气组成成分。

进一步的，步骤3中：放大器用于粗调节信号接收端的换能器接收到的超声波信号，增益放大器用于细调节放大器发送给增益放大器的超声波信号。

本方案中，放大器和增益放大器分别用于粗调节和细调节，所以组合在一起使用时，能够在保证具有足够的信号放大范围的情况下，也具有良好的放大精度。

进一步的，步骤3中：放大器的放大倍数的范围大于增益放大器的放大倍数的范围，增益放大器的步距小于放大器的步距。

本申请的性质决定了，其在放大倍数的范围上，能够相比较于增益放大器更容易设置的更大。而增益放大器的步距精度，则可以设置的更小。

作为本申请的第二个方面，为了解决背景技术中提到的问题，本申请的一些实施例提供了，一种燃气表的过零检测装置，包括，控制模块、信号发射端以及信号接收端；信号发射端和信号接收端分别与控制模块连接；

信号发射端配置有升压电路，升压电路用于控制信号发射端的工作电压；

信号接收端配置有信号发生器和增益放大器，增益放大器与放大器连接；

其中，信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置的初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号；

控制模块根据激励信号向信号发射端和/或信号接收端发送增益信号，直至信号接收端接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比达到预先配置的信号幅值和信号比；

信号发射端接收到激励信号后调整升压电路输出的电压；

信号接收端接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数。

本申请所提供的方案中，在超声波燃气表进行过零检测时，会不断的检测信号接收端接收到的信号特征，在接收到的信号中，信号幅值和信噪比小于预先配置初始的信号幅值和信噪比时，则控制模块会分别向信号发射端和信号接收端发送激励信号，进而信号发射端和信号接收端根据激励信号，调整信号发射端的信号幅值和信噪比，同时又调整信号接收端的对于信号的放大倍数，所以能够保证信号接收端接收的信号，其信噪比和幅值都在预定的范围内。如此，在进行过零检测时，能够根据天然气组成成分的变化，而不断的调整信号发射端和信号接收端的功率，在保证双方功率最低的情况下，保证信号接收端能够接收到稳定的头波信号。

进一步的，放大器用于粗调节信号接收端的换能器接收到的超声波信号，增益放大器用于细调节放大器发送给增益放大器的超声波信号。

进一步的，放大器的放大倍数的范围大于增益放大器的放大倍数的范围，增益放大器的步距小于放大器的步距。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

另外，贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。

在附图中：

图1为燃气表的过零检测方法的流程图；

图2为燃气表的过零检测装置的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现， 而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

实施例：

参照图1，燃气表的过零检测方法包括如下步骤：

步骤1：控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比，并将信号幅值和信噪比分别发送给信号发射端和信号接收端。

步骤1中，控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比时，根据信号发射端和信号接收端在测试环境中，信号接收端能够检测到的具有稳定头波时的信号幅值和信噪比所确定；测试环境中各气体的浓度为天然气实际贸易中各个组分的平均浓度。

在天然气开采的过程中，虽然需要尽量保障天然气的纯度（有效燃料的占比多），但是在实际的天然气贸易中，天然气的气体组成成分是在不断发生变化的。但是，总体而言，天然气的各个气体的组成成分大致会服从正态分布。

所以，信号接收端能够接收到的信号特征，就是在天然气的气体组成成分，在平均浓度下，进行过零检测时，需要信号接收端能够接收到的信号所具有的幅值和信噪比。例如，400mV和10dB；在具体的设置中，应该是一个更为具体的区间，也就是390~410mV，9~11dB。也就是在进行过零检测时，需要在是390~410mV，9~11dB的范围内，信号接收端能够稳定的接收到头波。

步骤1实际上，就是将实际贸易中天然气各个组分的平均浓度配置出一个测试环境，在测试环境下，信号发射端和信号接收端进行超声波信号传输，将信号接收端能够检测到的具有稳定头波时的信号幅值和信噪比作为预先配置初始的信号幅值和信噪比，该信号幅值和信噪比用于判断后续激励信号是否发送。信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比则用于步骤2中。

步骤2：信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号。

步骤2中，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比，为步骤1中配置初始的信号幅值和信噪比时，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比。

在超声波信号传输的过程中，超声波信号会受到天然气组成成分的影响，所以信号发射端和信号接收端，在进行超声波通信时，信号接收端所接收的超声波信号会出现波动。进而在信号接收端接收到的信号幅值和信噪比超出预先配置的初始的信号幅值和信噪比的范围时，则向控制模块发送激励信号。

需要注意的时，因为信号在气体传播中会进行衰减。所以，信号发射端和信号接收端，接收到的信号幅值和信噪比是不一致的。

更进一步的，激励信号包括正向激励信号和反向激励信号，正向激励信号用于增加信号接收端所收到的信号幅值和信噪比，反向激励信号用于减少信号接收端所接收到的信号幅值和信噪比。

例如，前面提到了预先配置的信号幅值和信噪比在390~410mV，9~11dB之间。如果，信号接收端接收到的信号幅值和信噪比为400mV和10dB，则不发送激励信号。如果，如果，信号接收端接收到的信号幅值和信噪比为380mV和8dB，则发送正向激励信号，进而会调整信号发射端和信号接收端，使得信号接收端接收到的信号幅值和信噪比达到390~410mV，9~11dB之间。如果，信号接收端接收到的信号幅值和信噪比为410mV和11dB，则发送反向激励信号，进而会调整信号发射端和信号接收端，使得信号接收端接收到的信号幅值和信噪比390~410mV，9~11dB之间。

步骤3：控制模块根据激励信号向信号发射端和/或信号接收端发送增益信号；

信号发射端接收到激励信号后调整信号发射的幅值；

信号接收端接收到激励信号之后，调整接收到的超声波信号；

直至信号接收端接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比达到预先配置的信号幅值和信号比。

进一步的，因为考虑到在信号接收端在处理信号时，只能够对信号进行放大，所以信号和噪声都会被放大，如此无法提升信噪比；所以在大部分的情况下都是，控制模块在接收到激励信号之后，同时调整信号发射端和信号接收端，以使得能够调整信噪比。

在一些特殊情况下，如果是信噪比在预先配置的范围内，然后信号幅值不在预先配置的范围内，所以控制模块会仅仅向信号接收端发送增益信号。如此，在更为具体的实施方式中，正向激励信号和反向激励信号中会包含对应的信号接收端接收到的信号幅值和信噪比的信息，以让控制模块判断如何发送信号增益信号。

例如：前面提到了预先配置的信号幅值和信噪比在390~410mV，9~11dB之间。如果，如果，信号接收端接收到的信号幅值和信噪比为380mV和10dB，则发送正向激励信号，并附加信号幅值和信噪比，如此，控制模块在只需要调整信号幅值时，则只会向信号接收端发送增益信号，进而信号接收端会将信号进行放大。相应的，如果是信号幅值和信噪比都不在预设范围内，则控制模块需要向信号发射端和信号接收端都发送增益信号。

相应的，这些增益信号并不一定都是会增加放大倍数，或者增加电压，也有可能是减少放大倍数和减少电压。

步骤3中：信号发射端接收到激励信号之后，通过升压电路调整信号发射端的信号发射模块的工作电压。

信号发射端一般包括一个信号发射模块（超声波换能器）和供电模块，信号反射模块用于发射超声波信号，供电模块则用于向信号发射模块供电。升压电路则是供电模块中的一个组成部分，其能够控制对于信号发射模块的电压大小。升压电路的具体结构这里不再展示，在现有的技术方案中，可以通过电阻的分压等方式，来调整电压的输出；或者改变接入的电源数量，来增加电压。

在步骤3中，如果信号发射端接收到增益信号，是需要放大信号幅值和信噪比，则会增加电压，相应的，如果是需要减少信号幅值和信噪比，则会减少电压。

步骤3中，信号接收端在接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数。

步骤3中：放大器用于粗调节信号接收端的换能器接收到的超声波信号，增益放大器用于细调节放大器发送给增益放大器的超声波信号。

步骤3中：放大器的放大倍数的范围大于增益放大器的放大倍数的范围，增益放大器的步距小于放大器的步距。

在本申请所提供的所有方案中，信号接收端所接收到的信号，并不是信号接收端用于读取超声波信号部分所接收的信号。而是信号接收端在接收到超声波信号，并将其处理好之后的信号，也就是需要经过放大器、增益放大器，处理之后的信号波形。

其中，放大器和增益放大器都是现有的技术中，常用的两种放大器，相对而言，放大器的放大倍数的范围比较大，一般通过电阻的档位来调节放大倍数。增益放大器的放大倍数的范围比较小，但是能够调整的步距更小。因为两者都属于常规技术手段。所以，这里不再展示其具体的结构。

相应的，放大器和增益放大器，在接收到增益信号时，也同样会具有放大信号和缩小信号两种情况，由控制模块，根据实际情况进行调整。

实施例1：

参考图2，一种燃气表的过零检测装置，包括，控制模块、信号发射端以及信号接收端；信号发射端和信号接收端分别与控制模块连接；

信号发射端配置有升压电路，升压电路用于控制信号发射端的工作电压；

信号接收端配置有信号发生器和增益放大器，增益放大器与放大器连接；

其中，信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置的初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号；

控制模块根据激励信号向信号发射端和/或信号接收端发送增益信号，直至信号接收端接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比达到预先配置的信号幅值和信号比；

信号发射端接收到激励信号后调整升压电路输出的电压；

信号接收端接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数。

放大器用于粗调节信号接收端的换能器接收到的超声波信号，增益放大器用于细调节放大器发送给增益放大器的超声波信号。

放大器的放大倍数的范围大于增益放大器的放大倍数的范围，增益放大器的步距小于放大器的步距。

具体的，燃气表的过零检测装置，采用实施例1中所述的燃气表的过零检测方法来进行过零检测。

更为具体的，信号发射端包括换能器和供电模块，换能器为超声波换能器，也就是前述的通信模块，用于将电信号转化为超声波信号，然后在天然气中传播，供电模块中存在升压电路，通过升压电路来控制该换能器的工作电压。

信号接收端包括换能器、放大器、增益放大器、ADC，以及外部接收部分。换能器用于将超声波信号转化为模拟信号，然后模拟信号经由放大器和增益放大器处理（放大或缩小）之后，然后由ADC转化为数字信号，最终由外部接收。

所以，在更为具体的实施方式中，本方案中信号接收端，接收到的信号，其实就是增益放大器最终发送给ADC的模拟信号。如果，这个模拟信号的波形不好，则就容易丢失头波。

更进一步的，本方案中，信号发射端和信号接收端只是一个相对的概念，其因为是通过换能器发射和接收超声波，所以两者之间的关系可以转化。也就是可以是上游的超声波换能器发射信号，下游的超声波换能器接收信号。也可以是下游的超声波换能器发射信号，上游的超声波换能器接收信号。

以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (2)

1.一种燃气表的过零检测方法，其特征在于：包括：

步骤1：控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比，并将信号幅值和信噪比分别发送给信号发射端和信号接收端；

步骤2：信号发射端向信号接收端发射超声波信号，信号接收端监测接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比是否为预先配置的初始的信号幅值和信噪比，如果不是，则向控制模块发送激励信号；

步骤3：控制模块根据激励信号向信号发射端和/或信号接收端发送增益信号，

信号发射端接收到激励信号后，调整信号发射的幅值；

信号接收端接收到激励信号之后，调整接收到的超声波信号；

直至信号接收端接收到的超声波信号的信号幅值和信噪比达到预先配置的初始的信号幅值和信号比；

步骤1中，控制模块预先配置初始的信号幅值和信噪比时，根据信号发射端和信号接收端在测试环境中，信号接收端能够检测到的具有稳定头波时的信号幅值和信噪比所确定；测试环境中各气体的浓度为天然气实际贸易中各个组分的平均浓度；

步骤2中，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比，为步骤1中配置初始的信号幅值和信噪比时，信号发射端发射的超声波信号的信号幅值和信噪比；

步骤3中：信号发射端接收到激励信号之后，通过升压电路调整信号发射端的信号发射模块的工作电压；

步骤3中，信号接收端在接收到激励信号之后，依次调整放大器和增益放大器的放大倍数；

步骤3中：放大器用于粗调节信号接收端的换能器接收到的超声波信号，增益放大器用于细调节放大器发送给增益放大器的超声波信号；

步骤3中：放大器的放大倍数的范围大于增益放大器的放大倍数的范围，增益放大器的步距小于放大器的步距。

2.一种燃气表的过零检测装置，其特征在于：包括，控制模块、信号发射端以及信号接收端；信号发射端和信号接收端分别与控制模块连接；

信号发射端配置有升压电路，升压电路用于控制信号发射端的工作电压；

信号接收端配置有信号发生器和增益放大器，增益放大器与放大器连接；

其中，采用如权利要求1所述的燃气表的过零检测方法实施过零检测。