基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法。该方法首先采用阈值比较与过零检测技术获取接收波形幅值超过阈值后的连续三个过零点作为特征点，并根据这三个特征点的到达时间计算接收信号的平均振动周期；其次，结合互相关算法的计算结果对三个特征点时间是否出现跳周期现象进行判断，若发现存在跳周期现象，则利用计算得到的平均振动周期进行修正；最后，利用修正后的三个特征点时间计算超声波信号的渡越时间。流速检定实验结果表明，相比于传统互相关算法和阈值法，该方法有效地提高了低流速下渡越时间测量的精度与重复性，增强了高流速下渡越时间测量的鲁棒性，从而提高气体超声波流量计的测量精度与准确性。量精度与准确性。量精度与准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法


[0001]本专利技术属于气体超声波流速测量领域，尤其涉及一种基于互相关计算结果对多特征点计时进行修正的渡越时间测量方法。

技术介绍

[0002]随着中国经济稳步增长，能源转型和发展持续推进，天然气作为一种清洁、高效的能源，在一次能源结构中占比稳步提升，其基础设施建设也在加快推进。相比于其他流量计量仪表，超声波流量计具有无阻流件、无压损、可靠性高以及适合大口径测量等优点，成为天然气贸易过程中重要的计量工具，其中时差法又因为其测量原理实现简单、测量精度高的优点成为目前气体超声波流量计中最常用的方法。
[0003]时差法主要通过测量超声波信号在顺逆流方向上的渡越时间差来计算平均流速，因此渡越时间的准确测量对于时差法超声波流量计而言十分重要。目前常用的渡越时间测量方法主要有阈值法、互相关法和模型拟合法三种。其中，互相关法通过计算两个信号互相关函数最大值的位置来获得渡越时间差，因此对幅值变化不敏感，具有更好的鲁棒性，但其测量分辨率受采样频率限制，在低流速下测量精度不高；模型拟合法通过建立超声波的相关数学模型并与真实接收信号进行拟合来获取起振点的时刻，大致可以分为直接利用曲线对信号包络进行拟合，以及利用智能算法对接收信号模型进行参数估计两类，但所需计算量较大，较难移植到嵌入式系统中，通常需要在上位机中进行计算；阈值法则是设定合适的阈值电压，筛选接收波形的首个有效峰进行计时，通常与过零检测相结合，实现简单且实时性较高，但容易受噪声、波形幅值变化较大等影响导致特征点偏移过大，产生较大误差。
[0004]现有技术中，目前对于阈值法的改进主要在实现自适应阈值方面，但通过硬件实现的比例阈值法一旦设置好比例后无法轻易更改，无法避免幅值变化带来的影响，同时对于测量精度更高的多声道气体超声波流量计而言，在弦声道与过径声道长度不同的情况下，其接收波形的幅值也不同，比例阈值法无法实现渡越时间的准确测量；通过软件实现的变比例阈值依旧是在采样信号的基础上进行渡越时间测量，测量分辨率受到采样频率限制，通常还需要通过插值来实现过零检测提高精度，增大计算负担，影响实时性，无法保留其原本优势，与互相关法差别不大。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中的不足，本专利技术设计目的在于提出互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]本专利技术提供一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1：对于气体超声波流量计测量过程中接收的接收波形，使用接收信号处理电路对接收波形进行处理，然后通过信号整形电路以阈值法与过零检测相结合的方式提取接收
波形正峰值超过固定阈值电压后的多个连续过零点并作为特征点；
[0009]S2：使用时间检测电路，对提取出来的所述特征点进行计时，得到连续三个特征点时间t
i
，i＝1～3；以三个特征点时间t
i
的平均值，作为超声波信号的平均渡越时间t
TOF
，以第三个特征点时间t3与第一个特征点时间t1之差的一半，作为平均振动周期T
ave
；
[0010]S3：使用DSP芯片对所述接收波形进行AD采样，与参考波形进行互相关计算，得到接收波形相对于参考波形的时延Δt
cor
，再进一步计算得到互相关法的渡越时间测量结果t
cor
；
[0011]S4：将步骤S2中得到的平均渡越时间t
TOF
与步骤S3中得到的互相关算法结果t
cor
进行比较，若两者之间接近或超出一个平均振动周期T
ave
的差距，则认为特征点的提取出现跳周期问题，将平均渡越时间t
TOF
与t
cor
进行对比，估计跳波问题中出现误差的周期数并进行修正，得到最终的特征点时间否则，则认为未出现跳周期问题，直接将测量得到的特征点时间t
i
作为最终的特征点时间
[0012]S5：对最终得到的特征点时间取均值作为最终的渡越时间测量结果。
[0013]作为优选，步骤S1中，接收信号处理电路包括多级滤波及放大电路，用于提高接收信号信噪比；同时还包含电压抬升电路，用于对多级滤波及放大电路处理后的信号进行电压抬升，以方便后续AD采样以及特征点的提取。
[0014]作为优选，步骤S1中，所述信号整形电路包括滞回比较电路与三路反相器，设置滞回比较电路的上下限电压分别为事先确定的固定阈值电压以及基准电压；接收波形通过滞回比较器进行比较，其输出再通过三路反相器进行反相，最后得到整形后的方波，方波的上升沿对应接收波形达到阈值处，下降沿对应过零点处。
[0015]作为优选，步骤S1中，所述信号整形电路包括整形电路电阻R12、输出电阻R13、可调电阻R14、输入电阻R15、反馈电阻R16、高速比较器U5、运算放大器U6和三路反相器U7；所述整形电路电阻R12一端与+5v电源相连，另一端与可调电阻R14的固定点相连，可调电阻R14的另一固定点接地，活动头与运算放大器U6正向输入端相连，运算放大器U6输出端与负向输入端相连，输入电阻R15一端与运算放大器U6的输出端相连，另一端与高速比较器U5的正向输入端相连，高速比较器U5的负向输入端与接收信号相连，反馈电阻R16一端与高速比较器U5的正向输入端相连，另一端与高速比较器U5的输出端相连，输出电阻R13一端与高速比较器U5的输出端相连，另一端与三路反相器U7的第一条通路的输入端相连，整形完毕后的方波信号由三路反相器U7的第一条通路的输出端输出。
[0016]作为优选，步骤S1中，阈值法中所述固定阈值电压的确定方法包括以下步骤：
[0017]S11：选择包含全流态的多个流速点，采集各流速点下的多组接收波形；
[0018]S12：提取所有流速点下的接收波形的正峰值点，并绘制不同流速下的接收波形正峰值点分布图；
[0019]S13：根据各流速下的接收波形正峰值点分布图，选择前后峰值电压间隔最大的电压范围作为阈值电压。
[0020]作为优选，步骤S2中，所述时间检测电路包括单片机与计时芯片，将计时芯片设置为下降沿敏感，对步骤S1中提取出来的前三个整形后方波的下降沿对应的特征点进行计
时，将每个计时结果都上传至单片机，得到所述连续三个特征点时间t
i
。
[0021]作为优选，步骤S3中，需要事先在静态条件下采集N组静态波形取平均作为参考波形，同时采用步骤S2测量N组静态波形下连续三个特征点时间t
ki
来计算参考波形的平均渡越时间t0，其表达式为：
[0022][0023]其中t
ki
表示第k组静态波形的第i个特征点时间；
[0024]再使用互相关算法计算得到接收波形与参考波形之间的时延Δt
cor本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：对于气体超声波流量计测量过程中接收的接收波形，使用接收信号处理电路对接收波形进行处理，然后通过信号整形电路以阈值法与过零检测相结合的方式提取接收波形正峰值超过固定阈值电压后的多个连续过零点并作为特征点；S2：使用时间检测电路，对提取出来的所述特征点进行计时，得到连续三个特征点时间t
i
，i＝1～3；以三个特征点时间t
i
的平均值，作为超声波信号的平均渡越时间t
TOF
，以第三个特征点时间t3与第一个特征点时间t1之差的一半，作为平均振动周期T
ave
；S3：使用DSP芯片对所述接收波形进行AD采样，与参考波形进行互相关计算，得到接收波形相对于参考波形的时延Δt
cor
，再进一步计算得到互相关法的渡越时间测量结果t
cor
；S4：将步骤S2中得到的平均渡越时间t
TOF
与步骤S3中得到的互相关算法结果t
cor
进行比较，若两者之间接近或超出一个平均振动周期T
ave
的差距，则认为特征点的提取出现跳周期问题，将平均渡越时间t
TOF
与t
cor
进行对比，估计跳波问题中出现误差的周期数并进行修正，得到最终的特征点时间否则，则认为未出现跳周期问题，直接将测量得到的特征点时间t
i
作为最终的特征点时间S5：对最终得到的特征点时间取均值作为最终的渡越时间测量结果。2.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法，其特征在于步骤S1中，接收信号处理电路包括多级滤波及放大电路，用于提高接收信号信噪比；同时还包含电压抬升电路，用于对多级滤波及放大电路处理后的信号进行电压抬升，以方便后续AD采样以及特征点的提取。3.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法，其特征在于步骤S1中，所述信号整形电路包括滞回比较电路与三路反相器，设置滞回比较电路的上下限电压分别为事先确定的固定阈值电压以及基准电压；接收波形通过滞回比较器进行比较，其输出再通过三路反相器进行反相，最后得到整形后的方波，方波的上升沿对应接收波形达到阈值处，下降沿对应过零点处。4.根据权利要求3所述的一种基于互相关算法辅助的多特征点超声波渡越时间测量方法，其特征在于步骤S1中，所述信号整形电路包括整形电路电阻R12、输出电阻R13、可调电阻R14、输入电阻R15、反馈电阻R16、高速比较器U5、运算放大器U6和三路反相器U7；所述整形电路电阻R12一端与+5v电源相连，另一端与可调电阻R14的固定点相连，可调电阻R14的另一固定点接地，活动头与运算放大器U6正向输入端相连，运算放大器U6输出端与负向输入端相连，输入电阻R15一端与运算放大器U6的输出端相连，另一端与高速比较器U5的正向输入端相连，高速比较器U5的负向输入端与接收信号相连，反馈电阻R16一端与高速比较器U5的正向输入端相连，另一端与高速比较器U5的输出端相连，输出电阻R13一端与高速比较器U5的输出端相连，另一端与三路反相器U7的第一条通路的输入端相连，整形完毕后...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱铭锐，周洪亮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：