基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统技术方案

基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统，通过间歇式激励信号(即发射一次连续非编码激励信号，间歇一定时间后，再发送一次连续非编码激励信号)激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；然后对接收到的回波信号进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的8个过零点的平均值作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量。

Method and system for intermittent excitation and signal processing of gas ultrasonic flowmeter based on maximum difference of adjacent peak value

The maximum difference between adjacent peak gas ultrasonic flowmeter intermittent excitation and signal processing system based on the intermittent excitation signal (i.e. emission of a continuous non encoding signal, intermittent after a certain time, and then send a continuous non encoding signal) excitation of ultrasonic emission transducer, ultrasonic signals are generated when the receiver receives the ultrasonic transducer; after the signal is transformed into echo signal; then the zero phase filtering the received echo signals, and then find the characteristic wave peak echo signal corresponding to the maximum difference, the average value of the characteristic wave after 8 zero as feature points, determine the propagation time of the ultrasonic signal and calculate the concurrent and countercurrent. Gas flow.

【技术实现步骤摘要】
基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统
本专利技术涉及流量测量领域，为一种气体超声波流量变送器，特别是一种基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理方法和系统。本专利技术采用间歇式激励方法产生超声波信号，采用相邻峰值最大差值方法并结合过零检测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(又称气体超声流量计)具有精度高、无压损、测量范围广等诸多优点，在气体流量测量方面应用广泛，特别在大口径管道的天然气流量测量方面，其优越性更加明显。气体超声波流量计常用的测量方法(原理)有传播速度差法和多普勒法等。传播速度差法又包括时差法、相差法和频差法。其中，时差法是气体超声流量计采用的最为广泛和有效的测量方法。基于时差法测量原理的气体超声波流量计测量流量时，首先需要激励信号以驱动发射换能器发出超声波信号；接收换能器再将接收到的超声波信号转化为回波信号；根据回波信号找到一个稳定的特征点来确定顺流和逆流的传播时间，进而计算出气体流量。但是，由于超声波信号在气体中传播时，其能量会产生较大衰减，所以，回波信号幅值较小，信噪比较低，容易受噪声、流量波动等的影响。同时，激励信号的长度、幅值等都会直接影响回波信号的品质。国内外学者对气体超声流量计的激励技术进行了研究，主要提出了以下几种方法。(1)调频编码激励方法调频编码激励方法主要分为线性调频、非线性调频和阶梯调频。该激励方法包含单个或多个频段的载波(如正弦波)，通过增加激励信号的带宽，来提高回波信号的幅值。TanisawaS等采用一种调频信号来激励超声波换能器(TanisawaS.，HiroseH..StudyonagasFMultrasonicflowratesensorforasmalldiameterpipe[C].Proceedingsofthe43stSICEAnnualConferenceIEEE(SICE2004)，2004，1：521-524.)，以保证声场的稳定，有效地减少驻波和反射波的影响。但是，由于超声换能器的带宽较窄，导致整个系统的带宽受限，超出换能器通带外的能量转换效率低，因此，从回波信号幅值角度考虑，调频激励的效果并不明显。(2)调相编码激励方法调相编码激励方法主要分为m序列、L序列、H序列、双素数序列和巴克码。每种调相编码激励信号都有一段特殊编码顺序的序列，而每种序列一般由两种载波(用二进制数0和1表示)组成，两种载波之间具有相对固定的相位差。在同一序列中，同一载波的形状和长度相同。在不同的序列中，载波的形状和长度都可以不同。NowickiA等采用一种调相编码信号激励换能器(NowickiA.,KlimondaZ.,LewandowskiM.,etal.Comparisonofsoundfieldsgeneratedbydifferentcodedexcitations-experimentalresults[J].Ultrasonics,2006,44(1):121-129.)，发现调相编码和短脉冲激励信号声场分布相似，而调相编码激励能够更有效地抑制相关函数旁瓣。JacobsonS.A.等采用11位巴克码作为激励信号(JacobsonS.A.，LynnworthL.C.，KorbaJ.M..DifferentialCorrelationAnalyzer[P].U.S：4787252，1988-11.)，能得到相关函数旁瓣最小的回波信号。RicciM采用m序列作为激励信号(RicciM,SenniL,BurrascanoP.ExploitingPseudorandomSequencestoEnhanceNoiseImmunityforAir-CoupledUltrasonicNondestructiveTesting[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,2012,61(11):2905-2915.)，能得到信噪比较高，量化噪声较小的回波信号。(3)调幅编码激励方法调幅编码激励方法比较特殊，主要适用于基于互相关分析的信号处理算法。码元1代表有激励信号(激励周期)，码元0代表无激励信号(止歇周期)。在激励周期内，回波信号具有较稳定的幅值；在止歇周期内，回波信号幅值基本为0。取回波信号的幅值轮廓与激励信号进行互相关运算，求取回波信号的到达时刻。YaoZJ等采用调幅编码信号(YaoZJ,GaoT,MaHR,etal.OptimizedPseudorandomBASKEmissionSequencesforUltrasonicMulti-LifeLocationSystem[J].AdvancedMaterialsResearch,2011,268-270:1850-1855.)，消除不同通道间的串扰，提高回波信号相关算法的准确度。(4)不同编码结合激励方法MiyamotoJ等采用幅值调制的m序列作为激励信号(MiyamotoJ,KajitaniH.Optimumpseudorandomsequencedeterminingmethod,positiondetectionsystem,positiondetectionmethod,transmissiondeviceandreceptiondevice:US,US8427905[P].2013.)，通过对激励信号与回波信号做互相关处理，找出真实的回波信号，消除回波信号中反射波的影响。(5)非编码激励方法非编码激励方法是采用单个或多个连续脉冲、正弦波等对超声波换能器进行激励。该方式形式简单，易于实现。FangM等采用不同的非编码信号激励超声波换能器(FangM,XuKJ,ZhuWJ,etal.Energytransfermodelanditsapplicationsofultrasonicgasflow-meterunderstaticanddynamicflowrates[J].ReviewofScientificInstruments,2016,87(1).)，建立了能量传递模型，发现当激励电压较低时，若采用单个脉冲或正弦波激励，激励信号能量较小，回波信号幅值较低，而采用多个连续脉冲或正弦波进行激励，可以有效地提高回波信号的幅值。国内外学者也对气体超声流量计信号处理技术进行了研究，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1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1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，假设实际回波本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统，包括换能器单元、发射/接收信号通道切换电路、激励信号产生与放大电路、回波信号调理与采样电路、DSP最小系统、FPGA最小系统和电源管理模块、间歇式激励方法和基于相邻峰值最大差值的信号处理方法软件；通过间歇式激励信号激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；再对回波信号进行放大、滤波，用5MHz的ADC(模数转换器)对其进行采样；通过FPGA转存到DSP中；DSP对其进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的过零点作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量；其特征在于：采用间歇式激励方法激励超声波换能器，得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号，配合基于相邻峰值最大差值的信号处理方法，得到更佳的测量效果。

【技术特征摘要】
1.基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计间歇式激励和信号处理系统，包括换能器单元、发射/接收信号通道切换电路、激励信号产生与放大电路、回波信号调理与采样电路、DSP最小系统、FPGA最小系统和电源管理模块、间歇式激励方法和基于相邻峰值最大差值的信号处理方法软件；通过间歇式激励信号激励超声波发射换能器，产生超声波信号；当接收换能器接收到超声波信号后，将其转化为回波信号；再对回波信号进行放大、滤波，用5MHz的ADC(模数转换器)对其进行采样；通过FPGA转存到DSP中；DSP对其进行零相位滤波，再找回波信号中相邻峰值最大差值对应的特征波，将特征波后的过零点作为特征点，确定超声波信号顺流、逆流的传播时间，并计算气体流量；其特征在于：采用间歇式激励方法激励超声波换能器，得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号，配合基于相邻峰值最大差值的信号处理方法，得到更佳的测量效果。2.如权利要求1所述的间歇式激励方法，其特征在于：结合了非编码激励方式简单、编码激励包含波形组合的优点，在一次完整激励中，发射前后两次非编码激励信号，即先发送一次非编码激励信号，间歇一定时间，再发送一次非编码激励信号；如果调节两次激励信号间歇宽度，恰好使前后两次的回波信号部分反相抵消、部分正相叠加，就能得到相邻峰值差值较大且稳定的回波信号；其中，非编码激励信号中的基本波形可以采用正弦波、方波、锯齿波、三角波等任意波形。3.如权利要求1所述的基于相邻峰值最大差值的信号处理方法，其特征在于：通过相邻峰值最大差值的位置找到对应的特征波，将特征波后的过零点作为特征点，确定顺流、逆流的传...

【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