互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法

摘要

本发明公开了一种互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法。互相关时差法气体超声波流量计的测量原理是通过计算管道中气体静止时和流动时超声波接收信号的互相关函数求得两个信号的传播时间差，进而确定气体的流速。在进行流量测量时，由于电路噪声、气体分子热运动、超声波换能器正逆压电效应的不一致性等影响因素的存在，同一流速下的超声波接收信号会存在一定的随机性。鉴于互相关算法计算渡越时间时参考波形的重要性，本发明提出了一种参考波形确定方法。该发明采用将多个静态波形求平均，将得到的平均波形处理后作为参考波形。本发明有效地解决了互相关计算渡越时间时参考波形选择问题，提高了渡越时间的测量精度和重复性。

说明书

技术领域

本发明属于超声波流量检测技术领域，特别涉及一种基于互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法。

背景技术

超声波流量计具有无阻流部件，压损小，适用于大口径管道，能够实现双向测量等优点，目前广泛应用于气体流量测量中。其原理是利用超声波在流体中传播时，会受到流体的调制作用，传播速度中会包含有流体的流速信息。当超声波沿流体流动方向传播时，其传播速度会叠加一个流体流速在超声波传播方向的分量，导致其传播速度增大；当超声波传播方向与流体流动方向相反时，其传播速度会减去流体流速在超声波传播方向的分量，导致其传播速度减小。通过互相关算法计算出超声波在流体中传播的顺流渡越时间和逆流渡越时间，即可计算得到流体的流速信息。

在超声波流量计进行流量测量过程中，影响测量精度的最主要因素是超声波在管道中传播的顺、逆流渡越时间的测量精度。目前，常用的渡越时间测量方法主要有两种：阈值检测法和互相关法。由于超声波在气体中传播时衰减严重，同时管道中的气体在流动过程中并不稳定，因此接收到的超声波信号非常微弱，并且会产生幅值波动和波形畸变，采用阈值检测会带来比较大的误差。而互相关法由于抗干扰能力比较强，也不受超声波接收信号幅值变化的影响，相比于阈值检测法可以获得更高的测量精度。

互相关法计算渡越时间的原理是将两个采样信号进行互相关运算，得到的互相关函数幅值最大点对应的横坐标即是两个信号的传播时间差。传统的互相关时差法超声波流量计主要有两种方法：一种是直接将流量计工作时顺流超声波接收信号和逆流超声波接收信号进行互相关运算，得到顺逆流渡越时间差，然后求气体流速。此方法虽然简单，但是不能单独计算出流体中超声波信号传播的顺流渡越时间和逆流渡越时间，不利于故障诊断等进一步的分析。另一种方法是在静态环境下选择一个标准波形作为参考波形，在流量计工作时分别与顺、逆流超声波接收信号进行互相关运算求渡越时间，此方法能够计算出超声波的顺、逆流渡越时间。这种方法对参考波形的选择要求很高，参考波形的合理与否会直接影响到顺、逆流渡越时间的精确测量。现有的文献资料都是在静态波形中选取某一目测较为理想没有畸变的波形作为参考波形。但由于电路噪声、激发探头的逆压电效应、接收探头的压电效应的重复性问题，以及管道中气体分子的热运动，超声波接收信号波形不可避免地会存在波动和畸变，从而影响超声波渡越时间的精确测量，并最终影响流量的精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法，意在用一种有效的方法提高互相关计算渡越时间的测量精度和稳定性。

本发明的技术实施方案如下：

互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法，该方法的步骤如下：

1)在管道中气体静止(静态)时，用超声波流量计分别采集若干顺流超声波信号和逆流超声波信号(静态波形)；

2)对采集到的顺流超声波信号和逆流超声波信号分别进行失真剔除处理，保留N个顺流超声波信号和N个逆流超声波信号，N≥2；

3)将得到的2N个超声波信号在幅值上求平均，得到一个平均波形；

4)考虑到DSP的采样窗口限制，当流量计开始对超声波接收信号进行采样时，超声波信号尚未到达，当停止采样时，超声波信号已经衰减到一定程度。因此将平均波形中超声波信号到达时的点作为核心波形的起点，核心波形的终点选择在最大峰值之后的任意采样点。然后将超声波信号未到达时的前端部分(平均波形中选择的核心波形起点之前部分，幅值位于0附近，主要为噪声信号)和超声波信号的衰减比较严重的后端部分(平均波形中选择的核心波形终点之后部分)进行删除，剩余部分作为超声波接收信号的核心波形；

5)由于进行离散互相关运算的两个信号采样点数必须相同，因此在核心波形后端补零，使得补零后的核心波形点数与超声波流量计工作时(指进行流量测量时)的超声波接收信号采样点数相同，使其满足离散互相关运算要求，将此核心波形补零后的信号波形作为参考波形。

作为优选方式，所述的核心波形的终点根据超声波流量计数据处理模块的处理速度而定，处理速度越快，核心波形的终点越靠后。

作为优选方式，步骤2)所述的失真剔除处理具体为：将采集到的顺流超声波信号作为一组，然后把每一个顺流超声波信号与都本组其他顺流超声波信号做互相关运算，记录其互相关系数；最后，将每个顺流超声波信号与其他顺流超声波信号的互相关系数相加，保留互相关系数和最大的N个顺流超声波信号；采用相同方法对逆流超声波信号进行处理，保留互相关系数和最大的N个逆流超声波信号。

作为优选方式，渡越时间的确定方法为：

$R_{xy}\left(m\right)={\lim }_{N\to \infty }\frac{1}{N}{\Sigma }_{k=1}^{N}x\left(k\right)y(k+m)$

x(m)是参考波形的第k个采样点，y(k+m)是顺流超声波信号或逆流超声波信号的第k个采样点；R_xy(m)是互相关计算结果；m₀是互相关计算结果R_xy(m)中幅值最大点对应的横坐标；对m₀进行转化，得到当前流速下超声波的顺流渡越时间或逆流渡越时间。

一种实现所述参考波形确定方法的互相关时差法气体超声波流量计，超声波流量计采用双CPU结构，由DSP负责互相关计算渡越时间以及流体流速，MCU负责流量计工作时顺、逆流切换以及计算结果的显示，DSP和MCU之间通过普通I/O口完成时序同步，参考波形存储在DSP的存储器中；流量计工作时，每当DSP完成一个超声波接收信号的采样后，就将该采样信号与存储器中的参考波形进行互相关运算，求得超声波传播的渡越时间。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明提出了一种将多个静态波形求平均作为参考波形的选择方法，有效地提高了互相关计算渡越时间的测量精度和稳定性，进而提高了超声波流量计的测量精度和稳定性。本发明的方法可用于气体或液体超声波流量计中。

附图说明

图1是实施例中静态顺流超声波信号；

图2是实施例中十个顺流和逆流超声波信号的平均波形和核心波形；

图3是实施例中参考波形；

图4是实施例中气体超声波流量计结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例中，互相关时差法气体超声波流量计参考波形的确定方法步骤如下：

1)在管道中气体静止时，用超声波流量计分别采集10个顺流超声波信号和10个逆流超声波信号，顺流超声波采样信号如图1，逆流超声波信号在静态环境下与图1类似。

2)对采集到的顺流超声波信号和逆流超声波信号分别进行失真剔除处理，剔除采集信号中失真比较严重的波形信号，保留5个顺流超声波信号和5个逆流超声波信号。

本实施例中，失真剔除处理具体为：将采集到的顺流超声波信号作为一组，然后把每一个顺流超声波信号与都本组其他顺流超声波信号做互相关运算，记录其互相关系数；最后，将每个顺流超声波信号与其他顺流超声波信号的互相关系数相加，保留互相关系数和最大的N个顺流超声波信号；采用相同方法对逆流超声波信号进行处理，保留互相关系数和最大的N个逆流超声波信号。

表1 静态顺流超声波信号间互相关系数

表1是静态(气体静止)时10个顺流超声波信号彼此之间的互相关系数。然后，将每个顺流超声波信号与其他顺流超声波信号的互相关系数相加，保留互相关系数和最大的5个顺流超声波信号。本例中，最后保留的5个顺流超声波信号是s1、s3、s4、s5、s8。逆流超声波信号处理方法与顺流超声波信号处理方法相同。

3)将得到的10个超声波信号在幅值上求平均，得到的即是平均波形。图2为10个超声波信号的平均波形。

4)考虑到DSP的采样窗口限制，当流量计开始对超声波接收信号进行采样时，超声波信号尚未到达，当停止采样时，超声波信号已经衰减到一定程度。因此将平均波形信号到达时的点作为核心波形的起点，核心波形的终点选择在最大峰值之后的任意采样点。超声波信号未到达时的前端部分(幅值位于0附近，主要为噪声)和超声波信号的衰减比较严重的后端部分进行删除，剩余部分作为超声波接收信号的核心波形。图2中的标注部分为核心波形。

5)由于进行离散互相关运算的两个信号采样点数必须相同，因此在核心波形后端补零，使得补零后的核心波形点数与超声波流量计工作时(指进行流量测量时)的超声波接收信号采样点数相同，使其满足离散互相关运算要求。此核心波形补零后的信号波形就是互相关时差法气体超声波流量计的参考波形。图3为互相关运算时的参考波形。

6)进一步可计算渡越时间，其具体确定方法为：

$R_{xy}\left(m\right)={\lim }_{N\to \infty }\frac{1}{N}{\Sigma }_{k=1}^{N}x\left(k\right)y(k+m)$

x(m)是参考波形的第k个采样点，y(k+m)是顺流超声波信号或逆流超声波信号的第k个采样点；R_xy(m)是互相关计算结果；m₀是互相关计算结果R_xy(m)中幅值最大点对应的横坐标；对m₀进行转化，得到当前流速下超声波的顺流渡越时间或逆流渡越时间。

图4为本实施例中实现上述方法的气体超声波流量计结构图。气体超声波流量计采用双CPU结构，由DSP负责互相关计算渡越时间以及气体流速，MCU负责流量计工作时顺、逆流切换以及计算结果的显示，DSP和MCU之间通过普通I/O口完成时序同步，参考波形存储在DSP的存储器中；流量计工作时，每当DSP完成一个超声波接收信号的采样后，就将该采样信号与存储器中的参考波形进行互相关运算，求得超声波传播的渡越时间。当流量计进行顺流渡越时间计算时，MCU首先控制激发电路产生激发脉冲，经声道切换开关后驱动上游超声波探头激发超声波信号，超声波信号经管路中气体传播到达下游超声波探头(接收探头)，接收探头将接收到的超声波信号转化为电信号，经过声道切换开关、信号接收电路和调理电路后送往DSP，在DSP内部完成信号的A/D转换、储存，并与存储在DSP中的参考波形(如图3所示)进行互相关运算，求得超声波传播的顺流渡越时间。

DSP与MCU之间的通过I/O口实现时序同步。MCU驱动激发电路的同时，该控制信号也通过I/O口传递到DSP，DSP经过固定的延时(根据激发探头和接收探头之间的间距以及超声波的波速来确定)后启动A/D转换和数据存储。

顺流时间计算完毕后，DSP通过I/O口通知MCU将声道切换到逆流通路。声道切换开关是双向的，而且同一个超声波探头既可以激发超声波，也可以接收超声波信号。因此，通过上、下游一对超声波探头，并结合声道切换开关就可以完成顺、逆流渡越时间的测量。逆流渡越时间的测量过程不再赘述。当顺、逆流渡越时间全部计算完毕，DSP就可以运用时差法计算出声道上的气体流速，最后通过校正得到管道气体流量。