针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。装置包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、超声波声道/模式切换模块以及计算机。本发明专利技术采用双声道超声波传感器获取多路超声波信号，取同一工况下测得的“Z”型声路和“V”型声路信号各一路，利用互相关去除信号延时后构成两路观测信号，先对观测信号进行零相位滤波，然后基于传感器信号的频域特征建立参考信号，最后利用盲信号提取方法(带参考信号的独立成分分析方法)实现多源噪声混合超声波信号中有效信号的提取，具有计算量小，易于实现的特点，特别适用于超声波气体流量计在复杂多变的动态流体和噪声多源的工业现场中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波气体流量计信号处理技术，尤其涉及一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。
技术介绍
超声波气体流量检测是国内近20年发展起来的一种新的气体流量检测方法。随着煤气、天然气以及工矿企业中各种气体原料和其它气体产品的日益增加，以及国内“西气东输”工程的实施，对天然气流量特别是涉及巨大经济数额的大口径、大流速气体流量的精确计量已变得日益重要，它对于经济核算、高效生产、漏气报警等方面都有重大意义。由于超声波气体流量计相较于传统流量计(如孔板、涡轮流量计等)具有非侵入、测量精度高、量程宽、压损小、无流阻、适用于大管径、能实现双向测量和易于安装维护等优点，受到了用户的欢迎和气体工业界的重视，是目前国际计量界公认的性价比最高、最具发展潜力的气体流量测量仪表之一。超声波技术检测流量的众多方法中最广泛采用的是时差法，该方法通过测量超声波在管道内顺、逆向传播的渡越时间计算得到流量。现有的超声波渡越时间测量方法主要有单阈值法、双阈值法(滑动窗阈值法)、互相关法和提取包络法等，或者是多种方法的结合。这些方法中往往只利用了接收信号在过零点时刻的瞬时信息，测得的渡越时间易受瞬时干扰的影响，对现场多源噪声混合(动态流体的内部扰动、上下游阀门的开关噪声、管路周边大型设备的振动噪声和电磁干扰等)的干扰抑制能力较差，难以适应一些恶劣条件的工业现场。因此，常规的滤波降噪方法(如频谱分析等)往往已不能满足日益增长的高精度超声波气体流量计的要求，一方面，未知的现场噪声源各种各样；另一方面，各路源信号(有效信号和噪声)之间相互影响的方式不确定。因此，迫切需要一种能从多源噪声混合的超声波信号中提取出高信噪比的有效信号的方法。本专利技术针对现有的超声波气体流量计易受现场噪声影响的现状，将盲信号处理技术引入到气体流量测量领域，提出了一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取方法和装置。该专利技术利用超声波传感器信号频率特性已知的先验知识，采用带参考信号的独立分量分析方法，结合零相位FIR带通滤波器，实现带参考信号的超声波气体流量计有效信号的盲提取，具有计算量小，快速高效等优点，可以获得高信噪比的超声波有效信号，为高精度的气体流量计量奠定基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，针对超声波气体流量计，提供一种简单有效的超声波信号盲提取方法和装置。技术方案如下：步骤一：通过双声道超声波气体流量计有效信号盲提取装置，获取多路含有动态流体信息和多源噪声信息的超声波信号。步骤二：选取同一工况下测得的“Z”型声路信号和“V”型声路信号各一路分别作为观测信号x1和观测信号x2，进行互相关运算后得到x2相对于x1的延时Δt，实行去延时操作(x20＝x2-Δt)后构建二维观测信号矩阵X＝[x1x20]。步骤三：对观测信号矩阵中的两路观测信号分别进行零相位FIR带通滤波，进行初步的降噪。首先分析有效传感器信号的频域特征，计算所需FIR带通滤波器的参数并设计相应的数字滤波器；然后基于所设计的滤波器对两路观测信号分别进行正向滤波；最后基于所设计的滤波器对正向滤波后的观测信号进行反向滤波并输出信号X*＝[x1*x2*]。步骤四：对观测信号矩阵X*进行去均值和白化处理(主成分分析)得到Z。步骤五：根据超声波传感器信号的频率特征建立参考信号yr，例如选取和传感器信号相同频率的正弦信号作为参考信号。步骤六：对信号矩阵Z进行带参考信号yr的独立分量分析，分离并提取出有效信号y。采用负熵作为独立性(非高斯性)度量，采用ε(y,yr)＝E{(y-r)2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、四个超声波声道/模式切换模块以及计算机，双声道超声波传感器由传感器管段和四个超声波换能器构成，四个超声波换能器安装于传感器管段的管壁中，用于测量管段内气体介质的流量，每个超声波换能器均通过数据线和相应的超声波声道/模式切换模块相连，四个超声波声道/模式切换模块通过排线与数据采集模块相连以实现激励信号的输出和检测信号的输入，数据采集模块一方面与电源模块相连以实现整个系统的稳定供电，另一方面与计算机相连以实现与计算机的通信。

【技术特征摘要】
1.一种针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于包括电源模块、双声道超声波传感器、数据采集模块、四个超声波声道/模式切换模块以及计算机，双声道超声波传感器由传感器管段和四个超声波换能器构成，四个超声波换能器安装于传感器管段的管壁中，用于测量管段内气体介质的流量，每个超声波换能器均通过数据线和相应的超声波声道/模式切换模块相连，四个超声波声道/模式切换模块通过排线与数据采集模块相连以实现激励信号的输出和检测信号的输入，数据采集模块一方面与电源模块相连以实现整个系统的稳定供电，另一方面与计算机相连以实现与计算机的通信。2.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于所述的双声道超声波传感器，采用一路“Z”型声道和一路“V”型声道相结合的方式，两路声道分别布置在相互垂直的两个平面上。3.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于所述的超声波声道/模式切换模块包括逻辑单元、多个电子开关、信号驱动芯片、仪表放大器和换能器接口，逻辑单元的输入和数据采集模块相连，用于对控制信号进行逻辑操作实现声道/模式的选择与切换，逻辑单元的输出与电子开关S1、电子开关S2和电子开关S3相连实现对开关的控制；信号驱动芯片一端与电子开关S1相连实现对激励信号的驱动放大，另一端与电子开关S3相连实现对换能器的激励；仪表放大器一端与换能器接口相连实现检测信号的滤波放大，另一端与电子开关S2相连实现检测信号的输入。4.根据权利要求1所述的针对超声波气体流量计的有效信号盲提取装置，其特征在于所述的数据采集模块包括DSP芯片、FPGA芯片、USB芯片和A/D采样芯片，DSP作为主控制器控制着整个超声波声道/模式选择、激励信号产生、检测信号采样存储、USB通信过程；FPGA实现超声波声道/...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保良，姜燕丹，冀海峰，黄志尧，李海青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33