一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统技术方案

提出基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法，根据采样的超声波回波信号，通过比较得到回波能量信号的最大正峰值点；然后向前确定区间起始点，以大于回波信号归一化幅值的0.1倍为判断条件，找到积分起始点；从积分起始点到最大正峰值点之间，每找到一个峰值点，将该点幅值平方后归一化，计算相邻峰值点间包围的梯形面积并累加；判断累加面积值和预设面积值的大小；当累加面积值超过预设面积值后停止积分累加，通过累加面积值减去预设面积值得到面积差值；已知面积差值和相邻峰值点的纵坐标，求解小梯形上底边与X轴的交点，作为特征点；确定超声波回波信号的顺流、逆流传播时间，并计算气体流量。

A signal processing method and system for gas ultrasonic flowmeter based on echo energy integration

Based on the gas ultrasonic flowmeter signal processing method of echo energy integral, according to the ultrasonic echo signal sampling, the maximum positive peak get echo energy signal; then forward the interval starting point, to 0.1 times greater than the normalized amplitude of the echo signal to evaluate the condition, find the starting point of integral; integral from the starting point to the maximum positive the peak point between each find a peak point, the point amplitude square normalized peak point between adjacent calculation trapezoid area surrounded and accumulated; determine the accumulated area value and preset area value; when the accumulated area value exceeds the preset value after the cessation of integral accumulation area, through the cumulative area value minus the preset area value area difference; the ordinate known area difference and the adjacent peak point, solve the small trapezoid bottom and X axis intersection, as a special Sign point; determine the downstream and countercurrent propagation time of ultrasonic echo signal, and calculate the gas flow.

【技术实现步骤摘要】
一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统
本专利技术涉及流量测量领域，是一种气体超声波流量计变送器，特别是一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统。采用本专利技术提出的气体超声波流量计信号处理方法处理超声波回波信号，实现气体流量的测量。
技术介绍
气体超声波流量计由于其测量精度高、量程比大、无压损等优点，被广泛应用于天然气等大口径管道的气体流量测量领域。在测量方法上，因传播时间差法受温度变化引起的测量误差较小，是最常用、最有效的测量方法。采用传播时间差法测量流量时，首先需要驱动发射换能器产生超声波信号，然后再由接收换能器将得到的超声波信号转换为回波信号；通过测量发射和接收信号之间的时间差来计算出相应的顺流、逆流传播时间，获得管道横截面的面速度，进而计算气体流量。超声波信号的起始时刻是已知的，而回波信号到达时刻却是未知的，需要根据回波信号上某一稳定的特征点来确定。由于超声波信号在气体中传播时，其能量衰减严重，且随着气体流速的增加会产生相应的路径偏移，进一步削弱能量，使得回波信号幅值微弱，易受噪声干扰。而直接通过最大峰值点等简单方法确定的特征点，都会产生较大的波动，影响测量精度。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)基于固定阈值的方法从回波信号幅值的角度出发，固定阈值的测量方法是通过设定一个固定的阈值，当超声波回波信号的幅值大于这个值时，就把这一个时刻作为超声波回波信号的到达时间，并以此求得超声波回波信号的传播时间。TamotsuKobayashi等人(KobayashiT.,ShigetaK.,FujiiT.Transit-timedifferencetypeultrasonicflowmeter[P].U.S.:20020062690A1,2002-05-30.)介绍了固定阈值方法的硬件实现，即利用比较器以及参考电压值来确定超声波回波信号的到达时间。R.Bates等人(BatesR.,etal.Developmentofacustomon-lineultrasonicvapouranalyzer/flowmeterfortheATLASinnerdetector,withapplicationtogaseoustrackingandCherenkovdetectors[J].JournalofInstrumentation,2013,8:C01002.)提到了上述固定阈值方法的软件实现，通过在超声波信号发出的同时启动时钟，并在回波信号幅值超过预设值之后停止时钟来计算超声波信号的传播时间。然而，噪声污染、漂移或者超声波换能器的使用年限等都会引起超声波回波信号幅值的变化，一旦超声波回波信号幅值波动较大，根据固定阈值法获得的回波信号接收时间就会出错。(2)基于能量变化率的方法从回波信号能量变化的角度出发，沈子文等人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等预处理，接着找到回波信号的各峰值点，并对其幅值进行平方，作为该点峰值点的能量(信号的能量与信号的幅值平方呈比例关系，FANGM,XUKJ,ZHUWJ,etal.Energytransfermodelanditsapplicationsofultrasonicgasflow-meterunderstaticanddynamicflowrates.[J].ReviewofScientificInstruments,2016,87(1):015107.)，得到每个峰值点的能量变化率，并对其进行包络线拟合，为了减少计算量，保证信号处理的实时性，采用线性插值的方法求取超声回波信号能量的包络线。在得到各流量下的能量变化曲线后，根据能量变化曲线设定用于区分特征波的阈值。在实际测量时，根据预先设定的阈值和实时求取回波信号的能量变化曲线，判别对应的特征点。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。(3)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在整个激励到传播再到接收的过程中，从弱到强，再从强到弱，因此回波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。具体地说，首先求取回波信号各点的幅值平方；然后，利用滑动平均求取每一点的平均能量值，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，找到能量变化率的临界点，确定超声波传播时间。但是，该专利没有披露方法的关键技术，如滑动窗口的时间间隔选取，以及求取能量变化率时前、后两点之间的时间间隔等。
技术实现思路
针对气体超声波流量计回波信号难以确定稳定的特征点，判断回波信号的到达时刻，而仪表又要求具有较高实时性的问题，本专利技术提出了基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法。因为信号的能量与信号的幅值平方呈比例关系，因此，为了简化计算，本专利技术使用回波信号幅值的平方表征回波信号的能量。在以DSP和FPGA为双核心的硬件平台上(徐科军，方敏，汪伟，朱文姣，沈子文.一种基于FPGA和DSP的气体超声波流量计，申请中国专利技术专利，公开号CN104697593A，申请日2015.06.10)，编写了软件程序，实时实现基于回波能量积分的信号处理方法。基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法的计算步骤为：首先根据采样的超声波回波信号，通过比较得到回波能量信号的最大正峰值点；然后向前确定区间起始点，以大于回波信号归一化幅值的0.1倍为判断条件，找到积分起始点；从积分起始点(积分起始点也是一个峰值点)到最大正峰值点之间，每找到一个峰值点，将该点幅值平方后归一化，计算相邻峰值点间包围的梯形面积并累加；判断累加面积值和预设面积值的大小；当累加面积值超过预设面积值后停止积分累加，通过累加面积值减去预设面积值得到面积差值(小梯形面积)；已知面积差值(小梯形面积)和相邻峰值点的纵坐标(小梯形上下底边值)，求解小梯形上底边与X轴的交点(梯形的高)，作为特征点；确定超声波回波信号的顺流、逆流传播时间，并计算气体流量。附图说明图1是基于回波能量积分的信号处理方法流程图。图2是0m3/h下的回波能量信号及其包络线和不同流量下的回波能量信号及其包络线图。图3是确定积分区间起始点示意图。图4是确定选取积分起始点示意图。图5是基于回波能量积分方法的积分面积示意图。图6是确定预设面积值原理图。图7是基于回波能量积分的特征点计算方法。图8是气体超声波流量计的硬件框图。图9是气体超声流量计系统主控芯片DSP软件流程图。具体实施方式图1是基于回波能量积分的信号处理方法流程图。将回波信号进行滤波等处理后，便开始计算特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统，包括一次仪表、DSP最小系统、FPGA最小系统、驱动信号生成与放大电路、发射/接收信号通道切换电路、回波信号调理和采集电路、电源管理模块和基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理软件；系统上电后，DSP进行初始化，完成对GPIO口的分配、定时器中断初始化、液晶显示初始化、流量计显示初始化等初始化任务；DSP向FPGA发送激励起始信号，并切换发射、接收通道；DSP收到转存起始信号后，则开始读取FPGA中已存的回波信号；计算积分面积，求得特征点横坐标；得到传播时间，求各声道的流量，进而输出最终流量Q；其特征在于：针对气体超声波流量计回波信号难以确定稳定的特征点，判断回波信号的到达时刻，而仪表又要求具有较高实时性的问题，提出了基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法，因为信号的能量与信号的幅值平方呈比例关系，因此，为了简化计算，使用回波信号幅值的平方表征回波信号的能量。

【技术特征摘要】
1.一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统，包括一次仪表、DSP最小系统、FPGA最小系统、驱动信号生成与放大电路、发射/接收信号通道切换电路、回波信号调理和采集电路、电源管理模块和基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理软件；系统上电后，DSP进行初始化，完成对GPIO口的分配、定时器中断初始化、液晶显示初始化、流量计显示初始化等初始化任务；DSP向FPGA发送激励起始信号，并切换发射、接收通道；DSP收到转存起始信号后，则开始读取FPGA中已存的回波信号；计算积分面积，求得特征点横坐标；得到传播时间，求各声道的流量，进而输出最终流量Q；其特征在于：针对气体超声波流量计回波信号难以确定稳定的特征点，判断回波信号的到达时刻，而仪表又要求具有较高实时性的问题，提出了基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法，因为信号的能量与信号的幅值平方呈比例关系，因此，为了简化计算，使用回波信号幅值的平方表征回波信号的能量。2.如权利要求1所述的一种基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法和系统，其特征在于：将回波信号进行滤波等处理后，便开始计算特征点；(1)寻找回波信号最大正峰值点和最小负峰值点；(2)将两个峰值点平方后做比较；(3)得到回波能量信号最大正峰值点；(4)确定积分起始点，幅值...

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