CN101922954A - 超声波测量信号的包络线处理方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波测量信号的包络线处理方法：在测量管道内轴线上安装一对超声波测量超声A探头和超声B探头，测得超声波信号，设由A探头发射超声波至B探头接收到超声波所经历的传播时间为t1，由B探头发射超声波至A探头接收到超声波所经历的传播时间为t2；测量得到管段直径D、超声探头与轴线夹角θ和延时数值τ；对所述超声波信号进行放大、滤波、整形，得到整形信号；对所述整形信号进行高速采样，再经过软件归一化处理，得到信号、幅值基本一致的处理信号；拟合出一条顶点包络线与设定的门限电压比较，计算出介质流速v和介质的声速c：介质的流速为

；介质的声速为

。实验证明本发明能较大程度提高超声波信号的分辨率和测量精度。

Description

超声波测量信号的包络线处理方法

[技术领域]

本发明涉及气体或液体超声波流量计的一种超声波测量信号包络线处理方法。

[背景技术]

漩涡流量计、电磁流量计、转子流量计、孔板流量计和涡轮流量计等传统流量计在液体计量和气体计量市场上占着主导地位，显示了他们在计量方面的优越性。但是，它们自身存在着无法克服的不足，比如说测量管段中存在可动部件、量程比窄、对测量介质要求过高等等。面对不断提高的计量要求，超声波流量计应运而生。

超声波流量计发展短短不过几十年，特别是90年代以后由于电子和微处理技术的飞速发展为超声波流量计的发展提供了更高的平台，超声波流量计开始在各个行业计量管理中得到广泛的应用，相对与传统流量计的优势也已渐渐显现出来，比如特别适合大口径测量、量程比特别宽、无可动部件、拆卸方便故障率低、对测量介质要求少等等。

但是现在的超声波流量计也存在技术难题，例如：不同介质的声阻抗不同，在两种介质的交接面上透过率会有不同，特别在气体超声波流量计中换能器和气体的声阻抗相差很大，声波在两者交接面上大部分被反射，透过的只是一小部分，再加上气体对声波的衰减比较利害，接收探头接收到的回波已经很微弱了。

困难不仅仅在超声波信号的发射与接收上面，在接收到的超声波测量信号处理上面也有很多困难，测量信号处理的好坏直接影响到流量计的精度，目前应用的比较多的是多普勒法、互相关法等测量信号处理方法，分辨率及精度不高。

[发明内容]

本发明提出一种超声波测量信号包络线处理方法，用以提高超声波流量计特别是气体超声波流量计的分辨率及精度。

本发明的方法按以下步骤进行：

1)在测量管道内轴线上安装一对超声波测量超声A探头和超声B探头，测得超声波信号，设由A探头发射超声波至B探头接收到超声波所经历的传播时间为t1，由B探头发射超声波至A探头接收到超声波所经历的传播时间为t2；

2)测量得到管段直径D、超声探头与轴线夹角θ和由电路***及机械***共同带来的延时τ的数值；

3)对所述超声波信号进行放大、滤波、整形，得到整形信号；

4)对所述整形信号进行高速采样，再经过软件归一化处理，得到信号、幅值基本一致的处理信号；

5)用最小二乘法对所述处理信号的幅值拟合出一条顶点包络线；

6)用该包络线与设定的门限电压比较，得到所述的传播时间t1和t2，

7)将上述测得的数据代入下列公式，计算出介质流速v和介质的声速c：

介质的流速为 $v=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}-\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}});$

介质的声速为 $c=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}+\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}}).$

实验证明本发明所述方法能较大程度提高超声波信号的分辨率，提高测量精度，切实有效可行。

[附图说明]

图1为本发明测量超声探头位置示意图。

图2为测得超声波信号示意图。

图3为整形后的处理信号示意图。

图4为整形后处理信号与门限电压比较示意图。

[具体实施方式]

下面结合和附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，安装在轴线上的一对超声波测量探头被用来测量管道内的流速。

设由A探头发射声波至B探头接收到声波所经历的时间为t₁；由B探头发射声波至A探头接收到声波所经历的时间为t₂；D为测量管段直径，τ为电路***及机械***共同带来的延时，θ为超声探头与轴线的夹角，D、τ、θ的数值可由常用仪器测量得到；v为介质流速，c为介质中的声速。

测量管道内的声程为： $L=\frac{2D}{\sin \mathrm{\θ}}$

当测量管道中待测介质以速度v向前流动时超声波脉冲在介质中的顺、逆流传播时间t₁和t₂：

$t_1=\frac{2D/\sin \mathrm{\θ}}{c+v\cos \mathrm{\θ}}+\mathrm{\τ}$

$t_2=\frac{2D/\sin \mathrm{\θ}}{c-v\cos \mathrm{\θ}}+\mathrm{\τ}$

由上式求得重复频率分别为：

$f_1=\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}(c_2+v\cos \mathrm{\θ})}{2D}$

$f_2=\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}(c_2-v\cos \mathrm{\θ})}{2D}$

重复频率相减得：

$\mathrm{\Δf}=f_1-f_2=\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}-\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}{D}v$

这样求出管道中介质流速v：

$v=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}-\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}})$

另外，还可以精确地测出待测介质的声速c：

$\mathrm{\Θ}{f}_1+f_2=\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}+\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{D}c$

∴ $c=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}+\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}})$

在一般超声波流量计中，通常是采用固定门限电压加自动增益的方式来确定t₁和t₂，如图2所示。

由于测量过程中信号幅度的随流速不断的变化以及信号幅度变化的不确定性，例如，假定门限电压设定在Ad_j处，实际获得可能是Ad_i处或者是Ad_k处，这两处都会给测量带来比较大的误差。

如何消除因为信号幅度变化带来的误差就是本发明所具有的特点。具体实施步骤是：

对接收到的超声波信号进行放大、滤波、整形，得到如图3所示的整形信号，再由微处理器对整形信号进行高速采样，再经过软件归一化处理，得到信号、幅值基本一致的处理信号，如图3所示。最后用最小二乘法对处理信号拟合出一条顶点包络线，如图4所示。

拟合过程如下：

设{(x_k，y_k)}^N _K＝1有N个点，横坐标是确定的.其对应的抛物线表示：y＝f(x)＝Ax²+Bx+C。

由最小二乘法的基本原理可知：对于给定的一组数据点坐标的分布，数据(x_i，y_i)(i＝1，2，...m)可构造一个n(n＜m)次的多项式：y＝f(x)＝Ax²+Bx+C，使得

$E(A,B,C)=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{x_k^2}+B_{x_k}+C-y_k)}^2$

得到最小值。

令偏导数

为零，可得：

$0=\frac{\∂E(A,B,C)}{\∂A}=2\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_{x_k^2}+B_{x_k}+C-y_k)\left(x_k^2\right)$

$0=\frac{\∂E(A,B,C)}{\∂B}=2\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_{x_k^2}+B_{x_k}+C-y_k)\left(x_k\right)$

$0=\frac{\∂E(A,B,C)}{\∂C}=2\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_{x_k^2}+B_{x_k}+C-y_k)\left(1\right)$

求解A，B，C的线性方程组为：

$A\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^4\right)+B\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^3\right)+C\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^2\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k{x}_k^2$

$A\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^3\right)+B\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^2\right)+C\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k{x}_k$

$A\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^2\right)+B\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\right)+\mathrm{NC}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k$

令

$S_4=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^4,S_3=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^3,S_2=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^2,S_1=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k,S_{y^2}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k{x}_k^2,S_{y^{\′}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k{x}_k,S_y=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k$

则方程组可改为：

$S_{4}A+S_{3}B+S_{2}C=S_{y^2}---\left(1\right)$

$S_{3}A+S_{2}B+S_{1}C=S_{y^{\′}}---\left(2\right)$

S₂A+S₁B+NC＝S_y---(3)

分别将(1)、(2)与(3)通分变换可得：

$A=\left[\frac{({\mathrm{NS}}_4-{S_2}^2)({\mathrm{NS}}_2-{S_1}^2)-{({\mathrm{NS}}_3-S_2{S}_1)}^2}{({\mathrm{NS}}_{y^2}-S_2{S}_y)({\mathrm{NS}}_2-{S_1}^2)-({\mathrm{NS}}_{y^{\′}}-S_1{S}_y)({\mathrm{NS}}_3-S_1{S}_2)}\right]$

$B=\frac{[{\mathrm{NS}}_{y^{\′}}-S_1{S}_y-({\mathrm{NS}}_3-S_1{S}_2)]\frac{({\mathrm{NS}}_4-{S_2}^2)({\mathrm{NS}}_2-{S_1}^2)-{({\mathrm{NS}}_3-S_2{S}_1)}^2}{({\mathrm{NS}}_{y^2}-S_2{S}_y)({\mathrm{NS}}_2-{S_1}^2)-({\mathrm{NS}}_{y^{\′}}-S_1{S}_y)({\mathrm{NS}}_3-S_1{S}_2)}}{{\mathrm{NS}}_2-{S_1}^2}$

将A、B分别带入方程组任何一个式中均可求出C。

从而我们可以根据采样数据的时间与峰值的位置及幅度得到顶点包络线，如图4所示。

再用软件设定的门限电压与得到的包络线进行比较，可分别得到传播时间t₁和t₂，代入前述公式：

介质的流速为 $v=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}-\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}})$

介质的声速为 $c=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}+\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}})$

计算出介质流速v和介质的声速c。

Claims (1)

1.一种超声波测量信号包络线处理方法，按以下步骤进行：

1)在测量管道内轴线上安装一对超声波测量超声A探头和超声B探头，测得超声波信号，设由A探头发射超声波至B探头接收到超声波所经历的传播时间为t1，由B探头发射超声波至A探头接收到超声波所经历的传播时间为t2；

2)测量得到管段直径D、超声探头与轴线夹角θ和由电路***及机械***共同带来的延时τ的数值；

3)对所述超声波信号进行放大、滤波、整形，得到整形信号；

4)对所述整形信号进行高速采样，再经过软件归一化处理，得到信号、幅值基本一致的处理信号；

5)用最小二乘法对所述处理信号的幅值拟合出一条顶点包络线；

6)用该包络线与设定的门限电压比较，得到所述的传播时间t1和t2，

7)将上述测得的数据代入下列公式，计算出介质流速v和介质的声速c：

介质的流速为 $v=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}-\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}});$

介质的声速为 $c=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1-\mathrm{\τ}}+\frac{1}{t_2-\mathrm{\τ}}).$

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