[發明專利]一種基于回波信號包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法

有效

• 申請號: 201711047434.7
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107843305B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 徐科軍;穆立彬;劉博;田雷
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 劉文軍

一類基于回波信號包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法具體包括基于回波信號上包絡擬合、基于回波信號上、下包絡擬合和改進的基于回波信號上、下包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法。通過基于回波信號上包絡擬合、基于回波信號上、下包絡擬合和改進的基于回波信號上、下包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法處理回波信號，找到一個穩定的特征點，確定超聲波信號順、逆流傳播時間，計算氣體流量。這一類信號處理方法計算量較小，保證系統具備較高實時性；同時，保證氣體超聲波流量計系統滿足較高的測量精度。

技術領域

本發明屬于流量檢測領域，為氣體超聲波流量計信號處理方法，特別是一類基于回波信號包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法，具體包括基于回波信號上包絡擬合、基于回波信號上、下包絡擬合和改進的基于回波信號上、下包絡擬合的氣體超聲波流量計信號處理方法，以實現氣體流量的準確測量。

背景技術

氣體超聲波流量計具有量程比大、測量精度高、無壓損等諸多優點，特別是在大口徑天然氣流量測量方面，具備獨特的優勢。氣體超聲波流量計的測量原理分為傳播速度差法和多普勒法等。傳播時間差法又可以分為時差法、相差法和頻差法，其中，時差法效果好，在氣體超聲波流量計中應用最為廣泛。基于時差法測量原理的氣體超聲波流量計在測量氣體流量時，首先依據逆壓電效應，激勵一個超聲波換能器發射超聲波信號；另一個超聲波換能器接收到超聲波信號，依據壓電效應，轉換為回波電信號；根據回波信號中某個穩定的特征點確定超聲波信號順、逆流傳播時間，進而計算氣體流量。但是，超聲波信號在氣體介質中傳播能量衰減嚴重，回波信號存在幅值微弱、信噪比低和易受干擾等問題，隨著流量增大，這些問題顯得尤為嚴重。并且，直接利用尋找單個峰值點等簡單方法確定特征點，容易產生較大波動，影響系統測量精度。

國內外學者對氣體超聲波流量計信號處理方法進行了研究，主要有以下幾種：

(1)基于能量突變的方法

美國Daniel公司采用檢測能量突變的方法用于尋找回波信號特征點((WilliamFreund,Winsor Letton,James Mc-Clellan,Baocang Jia,Anni Wey,Wen Chang.Methodand apparatus for measuring the time of flight of a signal,US patentNO.5983730,Nov.16,1999)。回波信號能量變化為一個從弱變強，再從強變弱的過程，相應的能量變化率的變化為先增大后減小，找到變化率變化的臨界點，作為特征點，即可確定超聲波信號的傳播時間。具體步驟為：首先，求取回波信號各點幅值的平方，由于信號各點幅值的平方與信號能量呈線性關系，可表征信號能量大小。然后，利用滑動平均的方法，求取信號各點的平均能量，繪制信號前后兩點平均能量之比變化曲線，即可得到能量變化曲線。最后，通過尋找能量變化率變化的臨界點，定位回波信號，計算超聲波信號的傳播時間。但是，該專利中并未披露處理方法的關鍵參數。

(2)基于能量變化率的方法

從能量變化的角度出發，沈子文等也提出一種基于能量變化率的信號處理方法(沈子文,徐科軍,方敏,等.基于能量變化率的氣體超聲波流量計信號處理方法[J].儀器儀表學報,2015,36(9):2138-2144.)。具體步驟為：首先，對回波信號進行濾波，對濾波后回波信號各峰值點幅值進行平方作為該峰值點的能量，通過前一個峰值點能量與后面峰值進行比較，得到各峰值點的能量變化率，進行包絡擬合，得到不同流量下回波信號能量變化曲線；然后，根據能量變化曲線設定閾值，尋找特征波。此方法在實時測量時，需要實時求取回波信號的能量變化曲線，根據預先設定閾值尋找特征點，計算量較大，難以保證系統實時性。并且，需要在流量測量之前進行閾值參數選定，流程較復雜。

(3)基于回波上升段峰值擬合的方法