一种基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法技术

一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法。通过基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合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、逆流传播时间，计算气体流量。这一类信号处理方法计算量较小，保证系统具备较高实时性；同时，保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度。

A kind of signal processing method for gas ultrasonic flowmeter based on echo signal envelope fitting

Based on a kind of echo signal envelope fitting gas ultrasonic flowmeter signal processing method including echo signal envelope fitting, echo signal based on the upper and lower envelope fitting and improved gas ultrasonic flowmeter signal echo signal, based on envelope fitting method based on. Based on the echo signal envelope fitting, echo signal based on the upper and lower envelope fitting and improved based on the gas ultrasonic flowmeter signal processing method for processing the echo signal and echo signal envelope fitting, find a stable feature points, determine the ultrasonic signal, current propagation time, the calculation of gas flow. This kind of signal processing method has a small amount of computation, which ensures that the system has high real-time performance. Meanwhile, the gas ultrasonic flowmeter system is guaranteed to meet the higher measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法
本专利技术属于流量检测领域，为气体超声波流量计信号处理方法，特别是一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，以实现气体流量的准确测量。
技术介绍
气体超声波流量计具有量程比大、测量精度高、无压损等诸多优点，特别是在大口径天然气流量测量方面，具备独特的优势。气体超声波流量计的测量原理分为传播速度差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法效果好，在气体超声波流量计中应用最为广泛。基于时差法测量原理的气体超声波流量计在测量气体流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点确定超声波信号顺、逆流传播时间，进而计算气体流量。但是，超声波信号在气体介质中传播能量衰减严重，回波信号存在幅值微弱、信噪比低和易受干扰等问题，随着流量增大，这些问题显得尤为严重。并且，直接利用寻找单个峰值点等简单方法确定特征点，容易产生较大波动，影响系统测量精度。国内外学者对气体超声波流量计信号处理方法进行了研究，主要有以下几种：(1)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用于寻找回波信号特征点((WilliamFreund,WinsorLetton,JamesMc-Clellan,BaocangJia,AnniWey,WenChang.Methodandapparatusformeasuringthetimeofflightofasignal,USpatentNO.5983730,Nov.16,1999)。回波信号能量变化为一个从弱变强，再从强变弱的过程，相应的能量变化率的变化为先增大后减小，找到变化率变化的临界点，作为特征点，即可确定超声波信号的传播时间。具体步骤为：首先，求取回波信号各点幅值的平方，由于信号各点幅值的平方与信号能量呈线性关系，可表征信号能量大小。然后，利用滑动平均的方法，求取信号各点的平均能量，绘制信号前后两点平均能量之比变化曲线，即可得到能量变化曲线。最后，通过寻找能量变化率变化的临界点，定位回波信号，计算超声波信号的传播时间。但是，该专利中并未披露处理方法的关键参数。(2)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.)。具体步骤为：首先，对回波信号进行滤波，对滤波后回波信号各峰值点幅值进行平方作为该峰值点的能量，通过前一个峰值点能量与后面峰值进行比较，得到各峰值点的能量变化率，进行包络拟合，得到不同流量下回波信号能量变化曲线；然后，根据能量变化曲线设定阈值，寻找特征波。此方法在实时测量时，需要实时求取回波信号的能量变化曲线，根据预先设定阈值寻找特征点，计算量较大，难以保证系统实时性。并且，需要在流量测量之前进行阈值参数选定，流程较复杂。(3)基于回波上升段峰值拟合的方法从轮廓包络的角度出发，田雷等提出了一种基于回波上升段峰值拟合的信号处理方法(田雷,徐科军,沈子文,等.基于回波峰值拟合的气体超声流量计信号处理[J].电子测量与仪器学报,2017,31(7):1107-1114.)。具体步骤为：首先，对回波信号上升段峰值进行包络拟合，得出回波信号上升段包络近似为一条直线；然后，确定处于一条直线的包络部分覆盖的峰值点幅值的范围；对幅值范围内的各峰值点进行最小二乘拟合，得到拟合直线；选取拟合直线与横轴采样点的交点作为特征点，定位回波信号，确定超声波信号顺、逆流传播时间，进而计算气体流量。此方法能快速、较准确地定位回波信号。但是，气体流量较小时，采样到的拟合峰值点存在较小的波动，拟合峰值点附近直线斜率会产生较小的变动。这些较小的变动在直线远离拟合峰值点与横轴采样点相交的部分被放大，导致小流量测量结果不太理想。
技术实现思路
针对气体超声波流量计难以确定回波信号到达时刻、并且仪表对实时性要求较高的问题，本专利技术提出一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，具体包括基于回波信号上包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法、基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法和改进的基于回波信号上、下包络拟合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)，实现这一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法。基于回波信号上包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，首先以上包络上升段定位点的幅值作为基准，对距离该点最近的三个峰值点进行直线拟合，得到一条特征直线；选取特征直线与X轴的交点作为特征点，确定超声波信号顺、逆流传播时间，计算气体流量。基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，首先以上包络上升段定位点的幅值作为基准，对距离该点最近的三个峰值点进行直线拟合，得到一条特征直线；然后，以下包络下降段定位点的幅值作为基准，对距离该点最近的三个峰值点进行直线拟合，得到第二条特征直线；选取两条特征直线的交点作为特征点，确定超声波信号顺、逆流传播时间，计算气体流量。改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，首先以上包络上升段定位点的幅值作为基准，对距离该点最近的三个峰值点进行直线拟合，得到一条特征直线；然后，以下包络下降段定位点的幅值作为基准，对距离该点最近的三个峰值点进行直线拟合，得到第二条特征直线；将下包络拟合直线向上平移一定距离，选取平移过后两条特征直线的交点作为特征点，确定超声波信号顺、逆流传播时间，计算气体流量。附图说明图1是不同流量下的回波信号及其上、下包络。图2是0m3/h流量下回波信号上包络上升段、下包络下降段以及两包络线的变化率曲线。图3是基于回波信号上包络拟合寻找特征点的信号处理方法示意图。图4是0m3/h流量下50组回波信号上包络上升段拟合直线以及特征点的分布情况。图5是基于回波信号上、下包络拟合寻找特征点的信号处理方法示意图。图6是0m3/h流量下50组回波信号上、下包络拟合直线以及特征点的分布情况。图7是改进的基于回波信号上、下包络拟合寻找特征点的信号处理方法示意图。图8是0m3/h流量下50组回波信号上包络拟合直线、平移后下包络拟合直线以及特征点的分布情况。图9是0m3/h流量下运用三种方法寻找的特征点的分布情况。图10是不同流量下运用三种方法寻找的特征点的方差变化曲线。图11是双声道气体超声波流量计系统的硬件框图。图12是DSP软件流程图。图13是改进的基于回波信号上、下包络拟合的信号处理方法的处理流程图。具体实施方式图1为不同流量下的回波信号及其上、下包络，可见回波信号上包络上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：通过基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合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、逆流传播时间，计算气体流量；这三种信号处理方法计算量较小，保证系统具备较高实时性；同时，保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度。

【技术特征摘要】
1.一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：通过基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合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、逆流传播时间，计算气体流量；这三种信号处理方法计算量较小，保证系统具备较高实时性；同时，保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度。2.如权利要求1所述的一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：基于回波信号上包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法分析回波信号包络线的变化规律，建立了回波信号上包络上升段的数学模型，得出回波信号上包络上升段拟合峰值点的范围；其具体步骤为：(1)采用四阶巴特沃斯带通滤波器对采集到的一组回波信号进行滤波处理，通带范围为120kHz～280kHz，得到滤波后的回波信号；(2)以上包络变化率最大点归一化后的幅值0.52为基准，寻找距离该点最近的三个峰值点，坐标记为(xn，yn)(n＝1，2，3)；对三个峰值点进行直线拟合，可得特征直线y1＝K1x+B1，K1为直线的斜率，B1为直线的截距；式中，为三个峰值点横坐标的平均值，为三个峰值点纵坐标的平均值；(3)计算特征直线与X轴的交点即为特征点，进而确定超声波信号顺、逆流传播时间，计算气体流量。3.如权利要求1所述的一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，其特征在于：基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法分析回波信号包络线的变化规律，建立了回波信号上包络上升段和下包络下降段的数学模型，得出回波信号上包络上升段和下包络下降段拟合峰值点的范围；其具体步骤为：(1)采用四阶巴特沃斯带通滤波器对采集到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，穆立彬，刘博，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