[發(fā)明專利]基于回波上升段峰值擬合和基于回波能量點定位的氣體超聲波流量計信號處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710091913.2
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106768109B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐科軍;田雷;穆立彬;劉博;沈子文;李劍波
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 劉文軍

基于回波上升段峰值擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法，首先根據(jù)擬合峰值范圍，在回波信號的上升階段，選取若干個峰值點；對各峰值點進行最小二乘擬合，得到特征直線；將該直線與橫軸采樣點的交點作為特征點，確定超聲波信號的順流、逆流傳播時間，并計算氣體流量。基于回波能量點定位的氣體超聲波流量計信號處理方法，首先以定位能量點的能量值作為基準(zhǔn)，找到四個最鄰近的峰值能量點進行直線擬合；再找出擬合直線上該能量值對應(yīng)的能量點作為特征點，確定超聲波信號的順流、逆流傳播時間，并計算氣體流量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及流量測量領(lǐng)域，為氣體超聲波流量計信號處理方法，特別是一種基于回波上升峰值擬合和一種基于回波能量點定位的氣體超聲波流量計信號處理方法。采用本發(fā)明提出的兩種氣體超聲波流量計信號處理方法處理超聲回波信號，實現(xiàn)氣體流量的測量。

背景技術(shù)

氣體超聲波流量計由于其精度高、無壓損、量程比大等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大口徑管道的氣體流量測量。氣體超聲波流量計的測量方法(原理)主要包括傳播時間差法、傳播頻率差法和多普勒法等。其中，傳播時間差法是氣體超聲波流量計采用的最為廣泛和有效的方法。傳播時間差式氣體超聲流量計測量流量時，需要采用激勵信號驅(qū)動發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號，然后再由接收換能器將超聲波信號轉(zhuǎn)換為回波信號；通過測量激勵信號與回波信號之間的時間差來計算出相應(yīng)的順流、逆流傳播時間，進而計算氣體流量。激勵信號起始時刻是可以精確控制的，而回波信號到達(dá)時刻則要根據(jù)回波信號中的某一穩(wěn)定的特征點來確定的。由于超聲波信號在氣體中傳播時，其能量會衰減，并且隨著氣體流速的增加，超聲波信號的傳播路徑會產(chǎn)生偏移，這種偏移將進一步導(dǎo)致能量的減弱，使得回波信號幅值變小，信噪比降低，容易受噪聲等干擾。而直接通過最小峰值點、最大峰值點等簡單方法確定的特征點，都容易產(chǎn)生波動，影響流量測量的精度。

國內(nèi)外學(xué)者對氣體超聲流量計信號處理方法進行了研究，主要有以下幾種方法。

(1)基于互相關(guān)和過零檢測相結(jié)合的方法

德國西門子股份公司采用一種過零檢測與互相關(guān)相結(jié)合的方法計算超聲波順流和逆流的絕對傳播時間(Arthur Freund,Nils Kroemer.Method for measuring the timeof flight of electric,electromagnetic or acoustic signals,EP PatentNO.0797105A2,Mar.17,1997)，首先通過某種方法獲得一段不含噪聲的回波信號，假設(shè)其起始時刻為t₀，同時在該回波信號中選定某一個過零點，該過零點距離起始時刻t₀的時間間隔記為t_N。然后，將該段回波信號與換能器實際采集的回波信號做互相關(guān)運算。如果互相關(guān)運算結(jié)果的最大值表征的時間間隔為t_d，同時，假設(shè)實際回波信號的起始時刻相對于激勵信號發(fā)射時刻的時間間隔為t₁，那么回波信號的傳播時間為：

t＝t₁+t_d+t_N-t_korr (1)

式中，t_korr為修正時間，它包括換能器轉(zhuǎn)換延時和電路傳輸延遲。這種方法能夠可靠地從混雜有噪聲信號的接收波形中檢測出回波信號，并且由于過零點附近具有較高的幅值分辨率，所以，適合于嘈雜的工業(yè)現(xiàn)場。但是，該專利中沒有披露如何獲取不含噪聲的回波信號；同時，還存在互相關(guān)運算量大等問題。

(2)基于互相關(guān)及其衍生的方法