[发明专利]一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法及系统

说明书

本发明公开的一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法及系统，通过使用ADC对接收到的信号进行采样，以接收信号的包络，以信号最大值或包络交叉点确定裁定值，得到超声波穿越待测介质的粗略测定时间，在超声波穿越待测介质的粗略测定时间的基础上进一步精确，以波形变化明显的位置来计算超声波飞行时间，将干扰考虑进飞行时间的精确计算过程，可以避免超声波飞行时的干扰误差，测量精度高，方法简单；还对计算得到的估计飞行时间t进行校准后得到超声波穿过待测介质的绝对飞行时间T，不仅可以摆脱阈值法需设定固定阈值的缺陷，还考虑了采样间隔，和捕捉延迟时间，有效提高测量精度。

技术领域

本发明涉及超声波飞行时间计算技术领域，具体涉及一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法及系统。

背景技术

超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度等优势，成为燃气计量领域的研究热点。超声波燃气表计量原理是利用超声波在顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。超声波飞行时间测量是超声波应用于温度、距离、流量、液位、定位等应用的要解决的核心问题，目前超声波飞行时间测量方法主要有以下几种：

(1)阈值法：接收电路采用一个固定阈值电压的比较器并上拉输出正逻辑电平，当超声回波信号幅度经过放大后达到设定的阈值后，随即触发比较器输出负逻辑脉冲，后续电路通过测量发射超声波的时刻到负脉冲之间的时间间隔即可得到超声波飞行时间。但是实际测量中，噪声信号往往会把回波前沿淹没，需要设定合适的阈值，噪声会被放大电路放大导致误触发，在不同应用场合存在难以确定合适的阈值电压的问题。双阈值法在精度上虽有一定改善，却仍面临同样的问题。

(2)特征波法：该方法发射多个驱动信号，取最后一个发射波为起始时刻，将回波中幅度最大的波的峰值点作为终止时刻，进而求得超声波飞行时间。然而已有论文证明最后一个发射波与幅度最大波的峰值点并不对应，存在整数倍周期误差。

(3)互相关法：互相关法根据发射波形信号与接收波形信号在时间轴上不同时刻的相关程度，能够有效地分析发射和接收波形信号之间的时间延迟关系，进而得出超声波飞行时间。该方法采用了超声波回波信号的整体走势，避免了阀值法中直接寻找超声波波到时刻带来的误差，提高了超声波飞行时间的测量精度。但是采用互相关法必须满足若干条件：存储大量参考波形信号；超声波回波波形与参考波形信号仅存在时间轴上的平移；其幅值只存在比例大小的不同；噪声形式为高斯白噪声等。这些条件制约了超声波飞行时间测量的精度且不能满足实时应用要求。

发明内容

为克服上述技术的缺陷，本发明提供一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法及系统，基于相关的ADC技术，将接收信号的整个输出波形捕获并存储，用于进行超声波上游和下游飞行时间的测量。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供的一种适用于气体和液体的超声波飞行时间测定方法，包括以下步骤：

A.基于模数转换器捕捉超声波穿过待测介质后接收信号的输出波形和包络图；

B.取接收信号的输出波形和包络图中接收信号的最大值V_max输入裁定模型V_thresh＝15％V_max (1)

中计算出裁定值V_thresh；

C.基于裁定值V_thresh从接收信号的输出波形和包络图中确定接收信号的第一局部极值点P₁，第二局部极值点P₂和第三局部极值点P₃；

D.将第一局部极值点P₁，第二局部极值点P₂和第三局部极值点P₃的坐标输入拉格朗日插值模型得到估计二次曲线f(x)；