[发明专利]基于回波上升段峰值拟合和基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法

说明书

基于回波上升段峰值拟合的气体超声波流量计信号处理方法，首先根据拟合峰值范围，在回波信号的上升阶段，选取若干个峰值点；对各峰值点进行最小二乘拟合，得到特征直线；将该直线与横轴采样点的交点作为特征点，确定超声波信号的顺流、逆流传播时间，并计算气体流量。基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法，首先以定位能量点的能量值作为基准，找到四个最邻近的峰值能量点进行直线拟合；再找出拟合直线上该能量值对应的能量点作为特征点，确定超声波信号的顺流、逆流传播时间，并计算气体流量。

技术领域

本发明涉及流量测量领域，为气体超声波流量计信号处理方法，特别是一种基于回波上升峰值拟合和一种基于回波能量点定位的气体超声波流量计信号处理方法。采用本发明提出的两种气体超声波流量计信号处理方法处理超声回波信号，实现气体流量的测量。

背景技术

气体超声波流量计由于其精度高、无压损、量程比大等诸多优点，被广泛应用于大口径管道的气体流量测量。气体超声波流量计的测量方法(原理)主要包括传播时间差法、传播频率差法和多普勒法等。其中，传播时间差法是气体超声波流量计采用的最为广泛和有效的方法。传播时间差式气体超声流量计测量流量时，需要采用激励信号驱动发射换能器产生超声波信号，然后再由接收换能器将超声波信号转换为回波信号；通过测量激励信号与回波信号之间的时间差来计算出相应的顺流、逆流传播时间，进而计算气体流量。激励信号起始时刻是可以精确控制的，而回波信号到达时刻则要根据回波信号中的某一稳定的特征点来确定的。由于超声波信号在气体中传播时，其能量会衰减，并且随着气体流速的增加，超声波信号的传播路径会产生偏移，这种偏移将进一步导致能量的减弱，使得回波信号幅值变小，信噪比降低，容易受噪声等干扰。而直接通过最小峰值点、最大峰值点等简单方法确定的特征点，都容易产生波动，影响流量测量的精度。

国内外学者对气体超声流量计信号处理方法进行了研究，主要有以下几种方法。

(1)基于互相关和过零检测相结合的方法

德国西门子股份公司采用一种过零检测与互相关相结合的方法计算超声波顺流和逆流的绝对传播时间(Arthur Freund,Nils Kroemer.Method for measuring the timeof flight of electric,electromagnetic or acoustic signals,EP PatentNO.0797105A2,Mar.17,1997)，首先通过某种方法获得一段不含噪声的回波信号，假设其起始时刻为t₀，同时在该回波信号中选定某一个过零点，该过零点距离起始时刻t₀的时间间隔记为t_N。然后，将该段回波信号与换能器实际采集的回波信号做互相关运算。如果互相关运算结果的最大值表征的时间间隔为t_d，同时，假设实际回波信号的起始时刻相对于激励信号发射时刻的时间间隔为t₁，那么回波信号的传播时间为：

t＝t₁+t_d+t_N-t_korr (1)

式中，t_korr为修正时间，它包括换能器转换延时和电路传输延迟。这种方法能够可靠地从混杂有噪声信号的接收波形中检测出回波信号，并且由于过零点附近具有较高的幅值分辨率，所以，适合于嘈杂的工业现场。但是，该专利中没有披露如何获取不含噪声的回波信号；同时，还存在互相关运算量大等问题。

(2)基于互相关及其衍生的方法