一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法技术

本发明专利技术公开了一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法。装在管道上安装温度传感器，根据超声换能器测量的顺逆流传播时间计算回波窗口开启时间Tyi和通过温度传感器估算回波窗口开启时间Ttemi，两者进行对比，如果差值小于1个回波信号周期Tt，则把超声换能器推导的回波窗口开启时间Tyi作为新一轮流量测量中的窗口开启时间。如果差值大于1个回波信号周期Tt，则对某T0水温、静止流量下，示波器测量的窗口时间Ty0进行±1Tt调整，然后再计算窗口开启时间Tyi1和当前温度下窗口开启时间Ttemi1。并继续比较。本发明专利技术能够有效地减少回波信号的衰变对飞越时间测量的影响，提高了超声水表计量的准确性和稳定性。

A window time automatic adjustment method for ultrasonic echo signal

The invention discloses a window time automatic adjustment method for ultrasonic echo signals. Install a temperature sensor in a pipe, calculate the return window opening time Tyi according to the downstream and counter-current propagation time measured by the ultrasonic transducer, and estimate the return window opening time Ttemi by the temperature sensor, and compare the two. If the difference is less than one echo signal cycle Tt, open the echo window deduced by the ultrasonic transducer. Time Tyi is used as the window opening time in the new round of traffic measurement. If the difference is greater than one echo signal period Tt, the window time Ty0 measured by oscilloscope is adjusted by (+) 1Tt at a certain T0 water temperature and static flow rate, then the window opening time Tyi1 and the window opening time Ttemi1 at the current temperature are calculated. And continue to compare. The invention can effectively reduce the influence of echo signal decay on overflight time measurement and improve the accuracy and stability of ultrasonic water meter measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法
本专利技术属于流量检测
，涉及一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法。
技术介绍
超声水表作为一种新型非接触式的智能仪表，具有压损低、精度高、量程比宽和重复性好等优点，已逐渐应用于大、中型管径的水流量测量。超声水表计量原理是通过测量超声波声束在流体中因顺逆流速度不同而产生时间差，根据时差求得平均流速，从而得到流过管道的累积流量，时差测量的准确性直接影响了超声水表的计量精度。由超声波波动方程可知，声波传播速度受到温度变化而变化，影响了时差的测量，容易造成声波衰减，导致计量误差不稳定。传统的回波信号处理采用过零检测法和阈值法。过零检测法是一种调制域分析方法，它通过记录信号过零点的时间得到过零点的时间间隔，再根据信号周期与频率的关系估计信号的频率。信号混入噪声信号会导致过零点位置的漂移，因此过零检测很难处理被噪声信号淹没的超声波回波信号。而阈值法则是通过比较电路设置一个阈值电压，当回波信号幅值大于阈值电压时，即可认为信号到达。阈值法的缺点很明显，首先是无法排除幅值超过阈值点的噪声干扰；其次，超声波信号的幅值与温度密切相关，若回波信号幅值在流体中有较大衰变时，会出现阈值检测点向前或者向后移动现象，造成回波时间测量不准确。这些传统方法虽然可以测得时差，但无法稳定、精确地计量，从而降低了超声水表的测量精度。
技术实现思路
本专利技术针对现有回波信号处理方法的不足，提出了一种超声回波信号的窗口时间自动调整的方法，能够降低回波信号衰减、向前或向后地移动，对时差测量的影响，提高了超声波水表的准确性和稳定性。本专利技术的超声回波信号处理方法具体是：在管道上安装温度传感器，根据超声换能器测量的顺逆流传播时间计算回波窗口开启时间Tyi和通过温度传感器估算回波窗口开启时间Ttemi，两者进行对比，如果差值小于1个回波信号周期Tt，则把超声换能器计算的回波窗口开启时间Tyi作为新一轮流量测量中的窗口开启时间。如果差值大于1个回波信号周期Tt，则对某T0水温、静止流量下，示波器测量的窗口时间Ty0进行±1Tt调整，然后新的Ty0代入公式分别得到新的窗口开启时间Tyi1和当前温度下窗口开启时间Ttemi1。Tyi1与Ttemi1两者继续比较，如果两者差值在一个回波周期Tt内，则新的Tyi1作为下一次流量测量中的回波窗口开启时间，反之则对Ty0继续进行调整，直到Tyi1与Ttemi1的差值在一个回波周期Tt内。其中Tyi从激励信号开始计时，到回波信号最大峰值波附近的前一个峰值波的波谷位置时间为止。本专利技术采用了定时预判回波信号窗口开启时间的方法，防止超声回波信号因温度、流场变化引起的回波信号幅值衰减、整体波形前后移动，导致阈值检测点向前或向后移动引起较大的测量误差。当超声波在水中传输时，回波接收处理功能关闭，当窗口开启时间等于Tyi时，为提高信噪比，Tyi从激励信号开始计时，到回波信号最大峰值波附近的前一个峰值波的波谷位置时间为止，时间测量芯片开始接收并处理回波信号。当时间测量芯片采集一定数量的脉冲信号后，回波信号处理窗口关闭。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的回波信号窗口开启时间自动调整方法，能够有效地减少回波信号的衰变对飞越时间测量的影响，提高了超声水表计量的准确性和稳定性，为智慧水务及智慧城市地建设提供了保障。附图说明图1为超声水表管道模型及换能器安装示意图图2为传统硬件阈值法测量原理图；图3为回波信号夹杂噪声信号的阈值点检测示意图；图4为回波信号幅值衰减示意图；图5为窗口开启时间测量示意图；图6为真实波窗口时间与推导波窗口时间；图7为回波信号窗口开启时间自动调整方法流程图。具体实施方式以下结合附图进一步说明本专利技术提出的一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法。参照图1，超声水表管道模型及换能器、温度传感器安装示意图如图所示，本专利技术主要采用时差法作为流量测量方法，声道布置方式采用U型、内嵌反射片的缩进管道模型。所选管道直径为D，两反射面的中心高度为管道的中心高度，两者的水平距离为L，换能器到反射片的距离为L1，缩进管道的延长线相交的夹角为θ，温度传感器放置在管道下游反射片的后面一段距离。由图1模型可以求得顺流时间tAB和逆流时间tBA。其中C为超声波在水中的传播速度，V为流动水的流速，则由(2)式减去(1)式可求得顺逆流时间差Dt为:由于超声波在水中的传播速度C远大于水的流速V，由(3)式可得水的流速V为:由于超声波在水中的传播速度C和反射片之间的水平距离L已知值，由(4)式可知，只要求得顺逆流时间差Dt就可得到水的流速。图2为传统硬件阈值法测量原理图。传统超声波回波信号采用硬件阈值法对回波信号进行处理，即在硬件上设计信号比较处理电路来设置回波信号的阈值点，当回波信号的峰峰值超过比较处理电路设置的阈值点，则认为回波信号到达。图3为回波信号夹杂噪声信号的阈值点检测示意图。一般传统硬件阈值法设置的阈值点为回波信号的第一个波峰附近位置，回波信号传输时间从发射激励信号开始到回波信号到达阈值点为止。然而实际过程中，回波信号容易夹杂着噪声信号，噪声信号的峰值很容易超过回波信号的最小峰峰值，导致上述传输时间不精确。如果增大超声水表的激励信号，虽然可以增大回波信号的最小峰峰值，但也增加了超声水表的功耗。图4为回波信号幅值衰减示意图。一般改良的传统阈值法选择回波信号的第二或者第三个回波的幅值附近电压作为阈值检测电压，提高阈值检测电压虽然减少了噪声信号的干扰，然而由于流场环境的复杂性，回波信号的幅值也会出现图4所示的衰减现象。当回波信号的幅值变大或者变小后，虽然可以继续得到时差，但与真实的飞越时间相差较大，影响了超声水表的测量精度和稳定性。图5为窗口开启时间测量示意图。本专利技术选用定时回波信号窗口开启时间的方法，即利用超声波在水中传输过程中，回波接收处理功能关闭，当窗口开启时间等于Tyi时，为提高信噪比，Tyi从激励信号开始计时，到回波信号最大峰值波附近的前一个峰值波的波谷位置时间为止，高速时间测量芯片开始接收并处理回波信号。当高速时间测量芯片采集一定数量脉冲信号后，回波信号处理窗口关闭。当水温为T0时，由示波器可以确定一个回波信号窗口开启时间Ty0，再计算水温为T0时超声波在水中的声速C0。由公式(5)可以得到任意温度Ti下的窗口开启时间Tyi。式中Ci为Ti温度下超声波在水中的声速，该温度下高速时间测量芯片测的顺流时间tAB，逆流时间tBA，由公式(1)和公式(2)即可求得Ti温度下的Ci。通过控制回波信号窗口开启时间Tyi，有效地降低了噪声信号对回波信号的干扰。如果回波信号出现整体向前或者向后移动，上述控制回波信号窗口开启时间Tyi的方法，虽然可以继续求得回波信号的飞越时间，但是会导致测量的飞越时间有较大误差。图6为真实波窗口时间与推导波窗口时间。假设某温度下，真实波到达的窗口时间位置和高速时间测量芯片采集飞越时间推导波到达的窗口时间位置如图6所示。如果根据推导波的窗口时间设置成窗口开启时间，虽然高速时间测量芯片可以采集一定的脉冲信号之后再关闭回波处理功能，但与实际波到达时间相差较大，导致超声水表测量精度降低。本专利技术的方法通过在管道上安装温度传感器，可测量当前管道中的水温Ttemi，查询计算当前温度下超声波在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法，其特征在于，根据超声换能器测量的顺逆流传播时间计算回波窗口开启时间Tyi和通过温度传感器估算回波窗口开启时间Ttemi，两者进行对比，如果差值小于1个回波信号周期Tt，则把回波窗口开启时间Tyi作为新一轮流量测量的窗口开启时间；如果差值大于1个回波信号周期Tt，则对某T0水温、静止流量下，示波器测量的窗口时间Ty0进行±1Tt调整，然后在新的窗口时间Ty0进行超声波顺逆流传播时间和温度的测量，计算得到新的窗口开启时间Tyi1和当前温度下窗口开启时间Ttemi1；Tyi1与Ttemi1两者继续比较，如果两者差值在一个回波周期Tt内，则新的Tyi1作为下一次流量测量中的回波窗口开启时间，反之则对Ty0继续进行调整，直到Tyi1与Ttemi1的差值在一个回波周期Tt内。

【技术特征摘要】
1.一种超声回波信号的窗口时间自动调整方法，其特征在于，根据超声换能器测量的顺逆流传播时间计算回波窗口开启时间Tyi和通过温度传感器估算回波窗口开启时间Ttemi，两者进行对比，如果差值小于1个回波信号周期Tt，则把回波窗口开启时间Tyi作为新一轮流量测量的窗口开启时间；如果差值大于1个回波信号周期Tt，则对某T0水温、静止流量下，示波器测量的窗口时间Ty0进行±1Tt调整，然后在新的窗口时间Ty0进行超声波顺逆流传播时间和温度的测量，计算得到新的窗口开启时间Tyi1和当前温度下窗口开启时间Ttemi1；Tyi1与Ttemi1两者继续比较，如果两者差值在一个回波周期Tt内，则新的Tyi1作为下一次流量测量中的回波窗口开启时间，反之则对Ty0继续进行调整，直到Tyi1与Ttemi1的差值在一个回波周期Tt内。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟国，蒋延付，罗安华，王成李，韩亘，
申请(专利权)人：杭州山科智能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33