CN118010116B - 一种抗干扰的超声波流量计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种抗干扰的超声波流量计量方法，包括如下步骤：S1：利用多个超声波发射器和接收器，在不同角度和位置同步采集信号；S2：对每个通道的信号进行时域分析和频域分析；S3：将时域分析和频域分析完成后的不同通道的频域信号进行合并；S4：利用数字信号处理技术对合并后的信号进行滤波和特征提取，计算出流体的流量；S5：根据历史数据和当前情况动态调整发射器和接收器的参数。本发明利用多个发射器和接收器从不同角度和位置同时获取信号，提高了信噪比并降低了单点误差对测量结果的影响；且能够调节滤波器对输入信号的敏感度和反馈路径的衰减或放大程度，有效抑制噪声及不相关成分。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其为一种抗干扰的超声波流量计量方法。
背景技术
超声波流量计量技术是基于超声波在流动介质中传播速度与介质平均流速的关系来进行流体流量的测量。超声波流量计通常由两个或多个超声波换能器组成，这些换能器安装在管道的不同位置，用于相互之间发送和接收超声波信号。通过测量超声波在介质中顺流方向和逆流方向的传输时间，可以计算出流体的流速，进而得到流量。然而，超声波流量计在实际应用中会受到多种因素的影响，尤其是电磁干扰。工业环境中的电磁噪声可能会对超声波信号的传输产生影响，导致测量误差。为了解决这个问题，研究者们开发了抗干扰的超声波流量计量方法。这些方法可能包括改进的信号处理技术、采用特殊设计的换能器、增加屏蔽或滤波措施等，以提高流量计的抗干扰能力和整体测量精度。
虽然现代超声波流量计采用了数字信号处理技术，但在复杂的环境噪声下，其信号处理算法可能仍不足以完全滤除干扰，影响流量测量的准确性。超声波在流体中的传播会因为流体特性，如温度、压力、密度的变化而发生衰减和散射，特别是在含有悬浮物、气泡或其他杂质的流体中，这会降低信号质量，增加误差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种抗干扰的超声波流量计量方法，以解决相关技术中提出的存在误差干扰的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种抗干扰的超声波流量计量方法，包括如下步骤：
S1：利用多个超声波发射器和接收器，在不同角度和位置同步采集信号；
S2：对每个通道的信号进行时域分析和频域分析；
S3：将时域分析和频域分析完成后的不同通道的频域信号进行合并；
S4：利用数字信号处理技术对合并后的信号进行滤波和特征提取，计算出流体的流量；
S5：根据历史数据和当前情况动态调整发射器和接收器的参数。
进一步地，S2的具体步骤如下：
S21：对采集到的信号进行预处理；
S22：通过时域分析提取每个通道的信号特征；
S23：对每个通道的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，得到信号的频谱信息；
S24：对频谱信息进行滤波处理，去除不需要的成分并分析频谱特征。
进一步地，S21中，预处理包括去噪和滤波。
进一步地，S23中傅里叶变换的计算表达式如下：
其中，是时域信号；是信号的频域；f是频率；j是虚数单位；t为时间；为噪声参数。
进一步地，S24中，分析频谱特征基于频谱图，频谱图的横轴为频率，纵轴为幅度。
进一步地，S3中，频域信号合并的计算表达式如下：
其中，为合并后的信号；n为通道数；为第i个通道的权重；为第i个通道的信号；为第i个信号的幅度；为第i个信号的相位。
进一步地，S4中，对合并后的信号进行滤波基于无线脉冲滤波器，表达式如下：
其中，为输出的信号；为输入的信号；为前向路径的系数；为反馈路径的系数；N为前向路径的阶数，即的系数个数；M为反馈路径的阶数，即的系数个数；
在上述公式中引入两个标量因子，表达式如下：
其中，用于调节滤波器对当前输入信号的敏感度；用于控制反馈路径中的衰减或放大程度。
进一步地，S4中，对合并后的信号进行特征提取，步骤如下：
S41：比较合并后的发射信号和接收信号的时间戳找到最大相关点，确定超声波往返传输时间；
S42：分析连续周期内回波信号的频率变化，获得流体的速度；
S43：基于超声波传播特性的物理模型，结合已知因素，精确计算流量。
进一步地，S42中，流体速度的表达式如下：
其中，v为流速；为声速；为超声波传播时间；为发射频率；为超声波与流体流向的夹角；
在声速中引入温度、压力和密度因素后的表达式为：
其中，、和分别为声速随温度、压力和密度变化的系数；、和是参考温度、压力和密度。
进一步地，S43中，流量的表达式如下：
其中，Q为流体的体积流量；a为管道截面积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用多个发射器和接收器从不同角度和位置同时获取信号，提高了信噪比并降低了单点误差对测量结果的影响；对每个通道的信号进行去噪与滤波，随后在时域和频域进行详尽分析，提取关键特征信息，再将各通道的频域信号合并，并根据权重、幅度和相位进行综合计算，增强了信号强度和准确性；最后采用数字信号处理技术对合并后的信号再次进行滤波，且能够调节滤波器对输入信号的敏感度和反馈路径的衰减或放大程度，有效抑制噪声及不相关成分。
附图说明
图1为本发明整体的方法流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，本实施例提供一种抗干扰的超声波流量计量方法，包括如下步骤：
S1：利用多个超声波发射器和接收器，在不同角度和位置同步采集信号；
S2：对每个通道的信号进行时域分析和频域分析；
S3：将时域分析和频域分析完成后的不同通道的频域信号进行合并；
S4：利用数字信号处理技术对合并后的信号进行滤波和特征提取，计算出流体的流量；
S5：根据历史数据和当前情况动态调整发射器和接收器的参数。
S2的具体步骤如下：
S21：对采集到的信号进行预处理；
S22：通过时域分析提取每个通道的信号特征；
S23：对每个通道的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，得到信号的频谱信息；
S24：对频谱信息进行滤波处理，去除不需要的成分并分析频谱特征。
S21中，预处理包括去噪和滤波。
S23中傅里叶变换的计算表达式如下：
其中，是时域信号；是信号的频域；f是频率；j是虚数单位；t为时间；为噪声参数。
S24中，分析频谱特征基于频谱图，频谱图的横轴为频率，纵轴为幅度。
S3中，频域信号合并的计算表达式如下：
其中，为合并后的信号；n为通道数；为第i个通道的权重；为第i个通道的信号；为第i个信号的幅度；为第i个信号的相位。
S4中，对合并后的信号进行滤波基于无线脉冲滤波器，表达式如下：
其中，为输出的信号；为输入的信号；为前向路径的系数；为反馈路径的系数；N为前向路径的阶数，即的系数个数；M为反馈路径的阶数，即的系数个数；
在上述公式中引入两个标量因子，表达式如下：
其中，用于调节滤波器对当前输入信号的敏感度；用于控制反馈路径中的衰减或放大程度。
S4中，对合并后的信号进行特征提取，步骤如下：
S41：比较合并后的发射信号和接收信号的时间戳找到最大相关点，确定超声波往返传输时间；
S42：分析连续周期内回波信号的频率变化，获得流体的速度；
S43：基于超声波传播特性的物理模型，结合已知因素，精确计算流量。
S42中，流体速度的表达式如下：
其中，v为流速；为声速；为超声波传播时间；为发射频率；为超声波与流体流向的夹角；
在声速中引入温度、压力和密度因素后的表达式为：
其中，、和分别为声速随温度、压力和密度变化的系数；、和是参考温度、压力和密度。
S43中，流量的表达式如下：
其中，Q为流体的体积流量；a为管道截面积。
在本实施例中，先利用多个超声波发射器和接收器，在不同角度和位置同步采集信号；确保能够同时接收来自不同发射器和接收器的信号，可以获得更全面的流体信息，提高测量准确性和稳定性，并且各个通道的数据采集是同步的，以便后续数据处理和分析；
然后对每个通道的信号进行时域分析和频域分析；其中，在时域中，信号被表示为一个时间函数，即信号的幅度或强度随时间的变化情况，时域分析主要用于观察信号的时间特性以及信号随时间变化的具体形态。频域则是通过变换将信号从时间轴转换到频率轴来分析信号，最常用的频域分析方法是傅里叶变换，它将时域中的信号分解成不同频率成分的叠加，每种频率成分都有相应的幅度和相位信息。总的来说，时域分析侧重于信号随时间变化的行为表现，而频域分析则更关注信号是由哪些不同频率成分合成的本质属性。时域分析和频域分析可以帮助理解信号的时间特性和频率特性，进一步识别和处理可能存在的噪声和干扰，具体步骤如下：
对采集到的信号进行预处理；包括去噪和滤波，去除不需要的频率成分，以保留感兴趣的信号。
通过时域分析提取每个通道的信号特征，包括均值、方差、峰值和均方根值；其中，信号的平均值可以反映信号的整体水平；峰值代表信号的最大值或最小值；方差代表信号的离散程度；均方根值代表信号的有效值；
对每个通道的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，得到信号的频谱信息。其中，傅里叶变换是将一个复杂的时间依赖函数分解成一系列简单的正弦波和余弦波的组合。这些简单波的频率、幅度和相位是信号的特性，通过这种方式，可以更容易地识别和分析信号中的周期性模式或趋势。其中频谱信息包括频谱幅度、频谱相位、频谱频率以及频谱形状，其中，频谱幅度表示信号在不同频率上的强度或振幅，代表信号在频域中的能量分布情况；频谱相位表示信号在不同频率上的相位角度，提供了信号在频域中的相位信息；频谱中包含了信号的频率成分，即信号中存在的各种频率分量；频谱形状描述了信号在频域中的整体形态，包括频率成分的分布和特征；傅里叶变换的计算表达式如下：
其中，是时域信号；是信号的频域；f是频率；j是虚数单位；t为时间；为噪声参数，用于描述噪声对信号的影响，可以使傅里叶变换更加灵活，适用于更多实际情况下的信号分析和处理。
对上述的频谱信息进行滤波处理，去除不需要的成分并分析频谱特征。分析频谱特征基于频谱图，频谱图的横轴为频率，纵轴为幅度，通过观察频谱图的形状和峰值，可以了解信号的频率成分和能量分布情况。
其次，将时域分析和频域分析完成后的不同通道的频域信号进行合并；合并包括幅度合并和相位合并，其中，幅度是信号的振幅或大小，表示信号在一个周期内的最大偏离值，反应信号的大小或强度；相位是信号的偏移或延迟，描述信号在时间或空间上的位置关系。相位用来表示信号波形在时间轴上的位置，或者在频率域中不同频率成分之间的偏移。相位决定信号波形的起始点和波形的形状。频域信号合并的计算表达式如下：
其中，为合并后的信号；n为通道数；为第i个通道的权重；为第i个通道的信号；为第i个信号的幅度；为第i个信号的相位。通过上述合并公式能够对不同通道的信号进行相位补偿，以确保信号在合并后的一致性。
进一步地，利用数字信号处理技术对合并后的信号进行滤波和特征提取；对合并后的信号进行滤波基于无线脉冲滤波器，表达式如下：
其中，为输出的信号；为输入的信号；为前向路径的系数；为反馈路径的系数；N为前向路径的阶数，即的系数个数；M为反馈路径的阶数，即的系数个数；
在上述公式中引入两个标量因子，表达式如下：
其中，用于调节滤波器对当前输入信号的敏感度；用于控制反馈路径中的衰减或放大程度。用于调整输入信号和反馈信号的影响，能够适应不同环境条件下的信号处理需求。
对合并后的信号进行特征提取，步骤如下：
先比较合并后的发射信号和接收信号的时间戳找到最大相关点，确定超声波往返传输时间；时间信息直接关系到流体中的声速以及根据管道尺寸推算出的流体速度。通过比较发射和接收信号的时间戳找到两者间的时间延迟，确定超声波在流体中的实际传播距离，用于流量计算的基础参数之一。然后分析连续周期内回波信号的频率变化，获得流体的速度；流体速度的表达式如下：
其中，v为流速；为声速；为超声波传播时间；为发射频率；为超声波与流体流向的夹角；
由于超声波在流体中的传播会因为流体特性，如温度、压力、密度的变化而发生衰减和散射，因此在声速中引入温度、压力和密度因素后的表达式为：
其中，、和分别为声速随温度、压力和密度变化的系数；、和是参考温度、压力和密度。参考值在物理和工程计算中指的是一个已知或约定的标准状态下的测量值。它们作为基准条件，用来与实际工作条件下测量得到的温度、压力和密度进行比较和校正。在声速计算中，当流体的温度、压力或密度变化时，声波在其中的传播速度也会相应地改变，为了准确地将测得的时间差转换成流速，并进一步计算流量，需要根据流体的实际温度、压力和密度对声速进行修正，此时，参考温度、压力和密度就是用于建立这一修正关系的基础值。
基于超声波传播特性的物理模型，结合已知因素，如管道尺寸、介质声速，精确计算流量，流量的表达式如下：
其中，Q为流体的体积流量；a为管道截面积。
最后，根据历史数据和当前情况动态调整发射器和接收器的参数。目的主要是为了适应环境的变化，流体温度、压力、密度等物理特性随时间和工况可能发生变化，这些因素会影响超声波在流体中的传播速度以及回波信号的质量。通过分析历史数据并结合当前实时监测的数据，可以对发射器的发射频率、脉冲宽度、功率等因素，以及接收器的增益、滤波器参数等进行适时调整，以确保测量结果的准确性和稳定性，并且合理地动态调整工作参数还可以避免发射器和接收器长时间处于极限工作状态，有利于延长其使用寿命，并维持系统性能的长期稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用多个超声波发射器和接收器，在不同角度和位置同步采集信号；
S2：对每个通道的信号进行时域分析和频域分析；
S3：将时域分析和频域分析完成后的不同通道的频域信号进行合并；
S4：利用数字信号处理技术对合并后的信号进行滤波和特征提取，计算出流体的流量；
S5：根据历史数据和当前情况动态调整发射器和接收器的参数；
S4中，对合并后的信号进行特征提取，步骤如下：
S41：比较合并后的发射信号和接收信号的时间戳找到最大相关点，确定超声波往返传输时间；
S42：分析连续周期内回波信号的频率变化，获得流体的速度；
S43：基于超声波传播特性的物理模型，结合已知因素，精确计算流量；
S42中，流体速度的表达式如下：
其中，为流速；为声速；为回波信号的频率变化；为发射频率；为超声波与流体流向的夹角；
在声速中引入温度、压力和密度因素后的表达式为：
其中，、和分别为声速随温度、压力和密度变化的系数；、和是参考温度、压力和密度。
2.根据权利要求1所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S2的具体步骤如下：
S21：对采集到的信号进行预处理；
S22：通过时域分析提取每个通道的信号特征；
S23：对每个通道的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域，得到信号的频谱信息；
S24：对频谱信息进行滤波处理，去除不需要的成分并分析频谱特征。
3.根据权利要求2所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S21中，预处理包括去噪和滤波。
4.根据权利要求2所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S23中傅里叶变换的计算表达式如下：
其中，是时域信号；是信号的频域；f是频率；j是虚数单位；t为时间；为噪声参数。
5.根据权利要求2所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S24中，分析频谱特征基于频谱图，频谱图的横轴为频率，纵轴为幅度。
6.根据权利要求1所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S3中，频域信号合并的计算表达式如下：
其中，为合并后的信号；n为通道数；为第i个通道的权重；为第i个通道的信号；为第i个信号的幅度；为第i个信号的相位。
7.根据权利要求1所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S4中，对合并后的信号进行滤波基于无限脉冲滤波器，表达式如下：
其中，为输出的信号；为输入的信号；为前向路径的系数；为反馈路径的系数；N为前向路径的阶数，即的系数个数；M为反馈路径的阶数，即的系数个数；
在上述公式中引入两个标量因子，表达式如下：
其中，用于调节滤波器对当前输入信号的敏感度；用于控制反馈路径中的衰减或放大程度。
8.根据权利要求1所述的抗干扰的超声波流量计量方法，其特征在于，S43中，流量的表达式如下：
其中，Q为流体的体积流量；a为管道截面积。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |