一种超声波流量检测方法技术

一种超声波流量检测方法，首先对超声波回波信号进行屏蔽窗口的设定；计算脉冲宽度与发射信号脉冲宽度的脉冲宽度比值

【技术实现步骤摘要】
一种超声波流量检测方法


[0001]本专利技术涉及流量测量
，特别涉及一种超声波流量检测方法
。

技术介绍

[0002]超声流量测量是一种重要的测量方法，但是，由于受外界测量环境的干扰以及自身因素的影响，超声波流量计所测得的数据中往往携带着噪声干扰，这会影响流量计的测量精度和稳定性，因此，需要对数据进行优化处理，才能提取到有用信息
。
另一方面，超声波流量计的回波信号携带的干扰信号往往很复杂，单纯通过某一种滤波方式很难将数据优化，而且对于超声波流量计来说实时性也是一个很重要的考量，因此所设计的算法和测量系统必须满足实时性的要求
。
[0003]在流量数据处理算法领域，已有部分专利申请面向超声波流量测量装置的数据提出了多种优化方案
。
专利申请
CN202310546838.X
提出了一种接收信号处理方案，通过电路对流量数据进行降噪，但是，该方案侧重于电路设计，缺少软件方面的算法设计，对数据的处理比较单一，且处理的为气体流量数据，气体流量数据的时间尺度比较大，采用该方案难以处理高精度的流量数据
。
专利申请
CN202310398243.4
提出了一种超声波流量计的数据识别方法和系统，但是该方案侧重异常数据的识别，而不是数据的优化
。
专利申请
CN202310332528.8
所述方案，利用电路和建模提高超声波流量计测量精度，但该方案需要考虑流体温度并进行建模处理，会降低数据的实时性
。
专利申请
CN202111648457.X
提出一种超声波流量检测方法，该方法以第一回波和第二回波作为目标并执行补偿处理，该检测方法固定了回波的位置，不能根据实际信号质量进行自动调控，抗干扰能力比较低，且缺少屏蔽窗口，不能滤除前置干扰，易造成错误的零点识别
。
专利申请
CN202111426125.7
提出一种超声波流量计数据修正方法及系统，但是，该方法侧重用神经网络对数据进行训练，从而获得更精确的零点识别，这会使得该系统的可靠性和实时性降低，且该方案缺少对数据的分析与降噪方法的论证
。
专利申请
CN202211737415.8
提供了一种超声波流量计数据的融合测量方法，该方法通过时差法和互相关算法进行计算，但该方案缺少对前置干扰的滤除，容易造成错误的零点识别，同时不能对回波数据的阈值进行监测，使得该系统容易受噪声干扰
。
专利申请
CN202211605561.5
提出了一种自适应的超声波流量测量方法，该方法侧重回波信号阈值的自适应，并没有对数据进行降噪处理，难以应对数据的高精度要求，具有一定的局限性
。
专利申请
CN202310162155.4
提出了一种首波检测阈值设定方法，该方法通过零点比较确定首波阈值，但是该方法缺乏对数据滤波算法的论证，得到的数据不能满足高稳定性和高精度的要求
。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种超声波流量检测方法，面向复杂工业环境和高干扰条件，分别从时域
、
频域以及时频域对超声流量数据进行分析，通过对数据进行多尺度分析，在不同分解层下对信号和噪声进行区分，从而有效对信号
进行降噪处理，提升超声波流量测量装置的稳定性和测量精度
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种超声波流量检测方法，包括以下步骤：
[0007](1)、
通过超声测量装置得到流体中的超声回波信号；
[0008](2)、
对超声波回波信号进行屏蔽窗口的设定；结合管道尺寸以及硬件电路的时延，计算出超声波信号从发射到被对侧超声波传感器接收所需的时间，实际脉冲信号到达之前的噪声通过寄存器的
delay
屏蔽窗进行消除，不进行测量，寄存器的
delay
的值设定为回波信号到达之前的值，即
delay
时间屏蔽窗用来抑制所有提前接收信号的噪声；
[0009](3)、
设置电平阈值，测量超声波回波信号中高于电平部分的脉冲宽度，计算此脉冲宽度与发射信号脉冲宽度的脉冲宽度比值
P
，将脉冲宽度比值
P
作为判断所选取的波的信号质量标志，
0.6
＜
P
＜1，选择脉冲宽度比值
P
满足要求的波形记为特征波；
[0010](4)、
计算时间差，通过零点识别技术定位超声波回波信号的特征波上升沿，顺流时计算超声波发射信号上升沿和接收到的超声波回波信号特征波上升沿之间的时间宽度
t_d
，逆流时计算超声波发射信号上升沿和接收到的超声波回波信号特征波上升沿之间的时间宽度
t_u
，计算时间差
t_1
＝
t_u
‑
t_d
；
[0011](5)、
对时间差数据进行傅里叶分析，将时域上的信息转化为频域上的信息，由于采集到的时间差数据为一维离散数据，因此使用离散傅里叶变换进行处理，对于一组
N
个数据点的时差数据序列
{t_1(n)}
：
[0012][0013]上式中，为蝶形因子，
0≤k≤N
‑1，
0≤n≤N
‑1；
[0014](6)、
通过时频域算法，将信号的干扰进行多层剥离，分层降噪，具体为，将原始时间差数据
t_1
分解成低频近似信号和一系列的高频细节信号，令
c0(n)
＝
t_1(n)
，则对离散信号序列
t_1(n)
进行小波分解的算法公式为：
[0015][0016][0017]其中，
c
j
为
j
尺度空间的尺度系数，
d
j
为小波系数，
c
j
‑1为
j
‑1尺度空间的尺度系数，
c
j
和
d
j
由
c
j
‑1经
Mallat
算法中的滤波器
h(n)
和
g(n)
进行加权求和得到，重构公式为：
[0018][0019][0020](7)、
采用实时卡尔曼综合滤波算法，对小波分解后的流量数据信号进行优化，具体如下所示：
[0021]首先，对数据进行预测处理，
k
＝1时，
t1＝
t_21；
k≥2
时，代入到时间更新方程：
[0022][0023][0024]其中，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超声波流量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、
通过超声测量装置得到流体中的超声回波信号；
(2)、
对超声波回波信号进行屏蔽窗口的设定；
(3)、
设置电平阈值，测量超声波回波信号中高于电平部分的脉冲宽度，计算此脉冲宽度与发射信号脉冲宽度的脉冲宽度比值
P
，将脉冲宽度比值
P
作为判断所选取的波的信号质量标志，
0.6
＜
P
＜1，选择脉冲宽度比值
P
满足要求的波形记为特征波；
(4)、
计算时间差；
(5)、
对时间差数据进行傅里叶分析；
(6)、
将信号的干扰进行多层剥离，分层降噪；
(7)、
采用实时卡尔曼综合滤波算法，对小波分解后的流量数据信号进行优化；
(8)、
得到优化后的一维离散数据
t,
根据公式就能求出流体的流速，得到流体流速后，再结合管道的尺寸参数就能得到流体的流量
。2.
根据权利要求1所述的一种超声波流量检测方法，其特征在于，所述步骤
(2)
具体为：结合管道尺寸以及硬件电路的时延，计算出超声波信号从发射到被对侧超声波传感器接收所需的时间，实际脉冲信号到达之前的噪声通过寄存器的
delay
屏蔽窗进行消除，不进行测量，寄存器的
delay
的值设定为回波信号到达之前的值，即
delay
时间屏蔽窗用来抑制所有提前接收信号的噪声
。3.
根据权利要求1所述的一种超声波流量检测方法，其特征在于，所述步骤
(4)
具体为：通过零点识别技术定位超声波回波信号的特征波上升沿
,
顺流时计算超声波发射信号上升沿和接收到的超声波回波信号特征波上升沿之间的时间宽度
t_d,
逆流时计算超声波发射信号上升沿和接收到的超声波回波信号特征波上升沿之间的时间宽度
t_u,
计算时间差
t_1
＝
t_u
‑
t_d。4.
根据权利要求3所述的一种超声波流量检测方法，其特征在于，所述步骤
(5)
具体为：将时域上的信息转化为频域上的信息，由于采集到的时间差数据为一维离散数据，因此使用离散傅里叶变换进行处理，对于一组

【专利技术属性】
技术研发人员：李运甲，刘雪龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：