基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法技术

技术编号:15538249 阅读:141 留言:0更新日期:2017-06-05 06:51
基于回波上升段峰值拟合的气体超声波流量计信号处理方法,首先根据拟合峰值范围,在回波信号的上升阶段,选取若干个峰值点;对各峰值点进行最小二乘拟合,得到特征直线;将该直线与横轴采样点的交点作为特征点,确定超声波信号的顺流、逆流传播时间,并计算气体流量。基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法,首先以定位能量点的能量值作为基准,找到四个最邻近的峰值能量点进行直线拟合;再找出拟合直线上该能量值对应的能量点作为特征点,确定超声波信号的顺流、逆流传播时间,并计算气体流量。

【技术实现步骤摘要】
基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法
本专利技术涉及流量测量领域,为气体超声波流量计信号处理方法,特别是一种基于回波上升峰值拟合和一种基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法。采用本专利技术提出的两种气体超声波流量计信号处理方法处理超声回波信号,实现气体流量的测量。
技术介绍
气体超声波流量计由于其精度高、无压损、量程比大等诸多优点,被广泛应用于大口径管道的气体流量测量。气体超声波流量计的测量方法(原理)主要包括传播时间差法、传播频率差法和多普勒法等。其中,传播时间差法是气体超声波流量计采用的最为广泛和有效的方法。传播时间差式气体超声流量计测量流量时,需要采用激励信号驱动发射换能器产生超声波信号,然后再由接收换能器将超声波信号转换为回波信号;通过测量激励信号与回波信号之间的时间差来计算出相应的顺流、逆流传播时间,进而计算气体流量。激励信号起始时刻是可以精确控制的,而回波信号到达时刻则要根据回波信号中的某一稳定的特征点来确定的。由于超声波信号在气体中传播时,其能量会衰减,并且随着气体流速的增加,超声波信号的传播路径会产生偏移,这种偏移将进一步导致能量的减弱,使得回波信号幅值变小,信噪比降低,容易受噪声等干扰。而直接通过最小峰值点、最大峰值点等简单方法确定的特征点,都容易产生波动,影响流量测量的精度。国内外学者对气体超声流量计信号处理方法进行了研究,主要有以下几种方法。(1)基于互相关和过零检测相结合的方法德国西门子股份公司采用一种过零检测与互相关相结合的方法计算超声波顺流和逆流的绝对传播时间(ArthurFreund,NilsKroemer.Methodformeasuringthetimeofflightofelectric,electromagneticoracousticsignals,EPPatentNO.0797105A2,Mar.17,1997),首先通过某种方法获得一段不含噪声的回波信号,假设其起始时刻为t0,同时在该回波信号中选定某一个过零点,该过零点距离起始时刻t0的时间间隔记为tN。然后,将该段回波信号与换能器实际采集的回波信号做互相关运算。如果互相关运算结果的最大值表征的时间间隔为td,同时,假设实际回波信号的起始时刻相对于激励信号发射时刻的时间间隔为t1,那么回波信号的传播时间为:t=t1+td+tN-tkorr(1)式中,tkorr为修正时间,它包括换能器转换延时和电路传输延迟。这种方法能够可靠地从混杂有噪声信号的接收波形中检测出回波信号,并且由于过零点附近具有较高的幅值分辨率,所以,适合于嘈杂的工业现场。但是,该专利中没有披露如何获取不含噪声的回波信号;同时,还存在互相关运算量大等问题。(2)基于互相关及其衍生的方法由于在超声波流量计工作工程中,顺流和逆流时产生的回波信号之间具有相关性,而噪声与信号之间不具有相关性,因此,可以利用互相关及其衍生方法计算超声波的传播时间差。传统的互相关计算如式(2)所示,其中,假设顺流时的回波信号为x(t),逆流时的回波为y(t),那么,Rxy(τ)取得最大值时所对应的时间位移τ,即为顺流传播时间与逆流传播时间之差。传统的互相关方法运算量大,难以利用单片机的有限资源实时实现。为了减少互相关的运算量,日本东京计装(Keiso)株式会社采用了一种互相关衍生算法(TokioSugl,TadaoSasaki.Ultrasonicflowmeter,USpatentNO.007299150B1,Nov.20,2007),如式(3)所示,其中,m为移位步数,N为采样点数,那么,Sxy(m)取得最大值时所对应的移位步数m表征了顺流和逆流传播时间之差。通过对比公式(2)和(3),不难发现,这种互相关衍生算法利用加法取模运算代替了原互相关算法中的乘法运算,减少了运算量。可是,同时也带了测量的误差,尤其当噪声干扰较大的时候,极有可能出现计算错误。(3)基于可变阈值的过零检测方法为了找到稳定的特征点以计算超声波传播时间,汪伟等提出一种基于可变阈值过零检测气体超声波流量信号处理方法(汪伟,徐科军,方敏,等.一种气体超声波流量计信号处理方法研究[J].电子测量与仪器学报,2015,29(9):1365-1373;徐科军,方敏,汪伟,朱文姣,沈子文。一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计,申请中国专利技术专利,公开号CN104697593A,申请日2015.06.10.),根据信号幅值的大小设定一个可变的阈值。这个阈值根据最大峰值实时调整,与最大峰值成一定比例。通过这个可变的阈值可以准确地找到回波信号的某个特征波,然后,进行过零检测,将过零点作为特征点,从而求得超声波信号顺流、逆流的传播时间,并计算出准确的气体流量。虽然该方法取得了较好的实验结果,但是,该方法未研究与之对应的效果更佳的激励信号,并且,该方法需要在测量流量之前进行阈值参数的选取,操作相对复杂。(4)基于能量突变的方法美国Daniel公司采用检测能量突变的方法查找特征点的方法(WilliamFreund,WinsorLetton,JamesMc-Clellan,BaocangJia,AnniWey,WenChang.Methodandapparatusformeasuringthetimeofflightofasignal,USpatentNO.5983730,Nov.16,1999)。由于回波信号的能量经历了从弱到强,再从强到弱的过程,因此回波信号的能量变化率将先增大再减少,依据能量变化率的临界变化点,即可确定超声波传播时间。具体说来,此方法首先求取回波信号各点的幅值平方,幅值平方的大小表征了信号能量的大小。然后,利用滑动平均的方法,求取每一点的平均能量,再绘制出前、后两点平均能量之比的变化曲线,即能量变化率曲线。最后,通过能量变化率的临界点,确定超声波传播时间。但是,该专利中,没有披露实施过程中的关键技术,如滑动窗口的时间间隔,以及求取能量变化率时前、后两点之间的时间间隔等。(5)基于能量变化率的方法从能量变化的角度出发,沈子文等也提出了一种基于能量变化率的信号处理方法(沈子文,徐科军,方敏,等.基于能量变化率的气体超声波流量计信号处理方法[J].仪器仪表学报,2015,36(9):2138-2144.),首先对采样的回波信号进行滤波,得出其各峰值点幅值,并对其求平方,作为该峰值点的能量,通过前一个峰值点能量与后面若干个峰值点能量做比较,得到每个峰值点的能量变化率,并对其进行包络线拟合,得到不同流量下的回波信号能量变化曲线,根据能量变化曲线设定能够区分特征波的阈值。实际测量时,实时求取回波信号的能量变化曲线,根据预先设定的阈值判别能量变化曲线对应的特征点。由于该方法需要在测量流量之前进行阈值参数选取,操作相对复杂。
技术实现思路
针对从气体超声波流量计回波信号中难以确定到达时刻,而仪表又要求具有较高实时性的问题,本专利技术提出了一种基于回波上升段峰值拟合和一种基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法,并在合肥工业大学研制的双声道气体超声波流量计硬件平台上(徐科军,方敏,汪伟,朱文姣,沈子文。一种基于FPGA(现场可编程门阵列)和DSP(数字信号处理器)的气体本文档来自技高网
...
基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法

【技术保护点】
基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法,其特征在于:通过基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法处理回波信号,找到一个稳定的特征点,确定超声波信号顺流、逆流的传播时间,进而计算气体流量;这两种方法不仅计算简单,能保证系统具有较高的实时性;同时,能保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度,并且有效地扩大了气体超声波流量计的测量范围。

【技术特征摘要】
1.基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法,其特征在于:通过基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法处理回波信号,找到一个稳定的特征点,确定超声波信号顺流、逆流的传播时间,进而计算气体流量;这两种方法不仅计算简单,能保证系统具有较高的实时性;同时,能保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度,并且有效地扩大了气体超声波流量计的测量范围。2.如权利要求1所述的基于回波上升段峰值拟合的气体超声波流量计信号处理方法,其特征在于:分析回波信号包络线的变化规律,建立回波信号上升段包络曲线的数学模型,得出拟合峰值点的范围;其具体的步骤为:第一步:采用四阶巴特沃斯带通滤波器构成零相位滤波器,对采集的一组回波信号数据进行实时的带通滤波处理,通带范围为120kHz~280kHz;所述的零相位滤波器,即是将回波信号数据顺序、反序通过四阶巴特沃斯带通滤波器,得到滤波前后无相位差的回波信号;第二步:根据确定的阈值范围Ymin~Ymax,找出回波信号上升阶段的N个峰值点;若设第k(k=1,2,…,N)个峰值点坐标为(xk,yk),则可计算出拟合直线斜率参数A;再计算出拟合直线截距参数B;式中,分别表示N个峰值点横坐标和纵坐标的平均值;得到拟合直线y=Ax+B;第三步:得到该直线与横轴采样点(对应于时间)的交点该交点即为回波信号的特征点,根据该特征点即可计算超声波的顺流、逆流传播时间,进而计算气体流量。3.如权利要求1所述的基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法,其特征在于:分析回波信号能量包络线的变化规律,建立回波信号上升阶段能量曲线的数学模型,得出能量包络变化率较大的能量值范围;其具体的步骤为:第一步:采用四阶巴特沃斯带通滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐科军田雷穆立彬刘博沈子文李剑波
申请(专利权)人:合肥工业大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1