CN110646042A - 一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法 - Google Patents

一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法。在进行流量测量时，由于低功耗嵌入式***的数字模拟转换器(ADC)采集回波信号的采样频率不够高导致采集到的回波信号的时间分辨率有限，进而导致计算互相关函数后得到的飞行时间差分辨率过低，使得气体超声波流量计的测量精度不高。本发明提出了一种用于飞行时间差计算的互相关插值方法。该发明对计算得到的互相关函数进行插值处理，可以极大地提高互相关函数的时间分辨率。本发明有效地解决了基于互相关法计算飞行时间差的低功耗超声流量计采样频率不够高的问题，提高了飞行时间差的测量精度和分辨力。

Description

一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值 方法
技术领域
本发明涉及流量测量领域，尤其涉及一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的方法。
背景技术
随着电子技术和微处理器技术的快速发展，超声波测量在过去的十年中取得了显着的进步，尤其是碳氢化合物的测量。超声流量计作为一种非接触式流量计，与传统的计量设备相比具有许多优点：不同管径的兼容性，无流阻，无压力损失，测量精度高，功耗低等。
超声气体流量计通常安装在沙漠等野外，必须具有良好的抗干扰能力。它通常有一个独立的电源，如电池。因此，低功耗设计对于工业应用中的气体流量计至关重要。
飞行时间差法是超声波气体流量计中常用的直接测量方法，其原理是通过测量超声波在一定距离内的传播时间来计算上游和下游之间的飞行时间差。超声波的传播速度会叠加一个流体流速在超声波传播方向的分量，顺逆流超声波之间存在一个速度差，导致它们的转播时间存在差异。通过互相关算法可以计算出超声波在流体中传播的顺流和逆流飞行时间差，即可进一步计算得到流体的流速信息。因此，精确测量飞行时间差尤为重要。
目前，常用的飞行时间差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比较严重，因此接收到的超声波信号非常微弱，信噪比低，并且会受温度、压力等环境因素影响产生幅值波动和波形畸变，这些干扰会对阈值检测法会带来比较大的误差。在互相关法中，首先，顺流和逆流回波信号由高速ADC采样。然后计算两个回波信号的互相关函数。飞行时间差取决于与互相关函数的最大值对应的横坐标。与阈值检测法相比，互相关法仅与顺逆流回波信号的相关性有关，不易受噪声干扰，在复杂环境中具有更高的精度与稳定性。
发明内容
本发明针对现有超声流量计的不足以及实际应用的需要，提出一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，意在用一种有效的方法提高互相关法计算飞行时间差的分辨力和测量精度。
本发明一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，该方法的包括以下步骤：
S1，在管道中有气体流动时，用超声波流量计分别采集顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号；
S2，对采集到的顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号进行互相关计算；
S3，将计算得到的离散互相关函数的峰值附近进行插值处理；
进一步地，步骤S1所述的超声波回波信号采集中仅使用集成在低功耗单片机内部的数字模拟转换器。
进一步地，飞行时间差的确定方法具体为：
x(k)是逆流超声波回波信号的第k个采样点，y(k+τ)是顺流超声波回波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关函数计算结果；τ是互相关函数计算结果中幅值最大点对应的横坐标。
进一步地，步骤S3所述的离散互相关函数的峰值附近的插值处理，具体为：取在步骤S2计算得到的离散互相关函数的幅值最大值点以及该最大值点的前后各一点，在这3点之间进行插值。
进一步地，步骤S3所述的插值处理，具体为三次样条插值。
进一步地，还包括步骤S4，将插值后得到的函数曲线最大值作为互相关函数的最大值。
进一步地，还包括进而得到对应的超声波飞行时间差。
进一步地，步骤S1满足超声流量计的低功耗设计需求。
进一步地，对τ进一步计算，得到当前流速下超声波的顺逆流飞行时间差。
进一步地，取插值后的最大值点作为互相关函数的估计最大值点。
一种实现所述的用于飞行时间差计算的互相关插值方法的高精度低功耗气体超声波流量计，其特征在于气体超声波流量计采用单个低功耗单片机作为核心，由内部集成的ADC负责采集超声波回波信号，MCU负责互相关计算得到飞行时间差并转换为气体流量，MCU通过GPIO口负责流量计切换电路的控制、换能器激励信号发射、回波信号增益控制、通信以及显示屏的显示。
本发明具有的有益效果是：提出了一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，在满足低功耗设计的条件下，提高了互相关计算飞行时间差的分辨力和测量精度，进而提高了超声波流量计的测量精度。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施方法的流程图；
图2是本发明一个较佳实施例中的回波信号；
图3是本发明一个较佳实施例中的计算得到的互相关函数；
图4是本发明一个较佳实施例中的对互相关函数得插值；
图5是本发明一个较佳实施例中的气体超声波流量计的整体结构图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明一个较佳实施例中，用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法流程大致如图1所示，具体步骤如下：
1)在管道中有气体流动时，用超声波流量计分别采集顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号，顺流超声波回波信号采样如图2所示，逆流超声波回波信号和图2类似。
2)对采集到的顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号进行互相关计算，计算结果如图3所示。
3)由于单片机ADC的采样频率还不满足高精度飞行时间差的测量分辨力要求，因此，需要在计算得到的离散互相关函数的峰值附近进行插值处理。取在步骤2)计算得到的离散互相关函数的幅值最大值点以及该最大值点的前后各一点，在这3点之间进行插值，取插值后的最大值点作为互相关函数的估计最大值点，如图4所示。本实施例中采用的插值方式为三次样条插值。
4)将插值后得到的函数曲线最大值作为互相关函数的预计最大值，进而得到其对应的横坐标，然后计算得到对应的超声波飞行时间差。
5)进一步地，飞行时间差的确定方法为：
Figure BDA0002235458420000031
x(k)是逆流超声波回波信号的第k个采样点，y(k+τ)是顺流超声波回波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关函数计算结果；τ是互相关函数计算结果中幅值最大点对应的横坐标；对τ进一步计算，得到当前流速下超声波的顺逆流飞行时间差。
图5是本发明一个较佳实施例中的气体超声波流量计的整体结构图。气体超声波流量计采用单个低功耗单片机作为核心，由内部集成的可编程脉冲发生器产生激励信号，激励信号经升压模块升压后激励发射换能器发出超声波信号，接收换能器接收到的回波信号经过滤波、放大后由单片机内部集成的ADC采集超声波回波信号，MCU负责互相关计算得到飞行时间差并转换为气体流量，MCU通过GPIO口负责流量计声道切换电路的控制、换能器激励信号发射、回波信号增益控制、通信、显示屏的显示以及其它功能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在管道中有气体流动时，用超声波流量计分别采集顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号；
S2，对采集到的顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号进行互相关计算；
S3，将计算得到的离散互相关函数的峰值附近进行插值处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，步骤S1所述的超声波回波信号采集中仅使用集成在低功耗单片机内部的数字模拟转换器。
3.根据权利要求1所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，飞行时间差的确定方法具体为：
Figure FDA0002235458410000011
x(k)是逆流超声波回波信号的第k个采样点，y(k+τ)是顺流超声波回波信号的第k个采样点；Rxy(τ)是互相关函数计算结果；τ是互相关函数计算结果中幅值最大点对应的横坐标。
4.根据权利要求1所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，步骤S3所述的离散互相关函数的峰值附近的插值处理，具体为：取在步骤S2计算得到的离散互相关函数的幅值最大值点以及该最大值点的前后各一点，在这3点之间进行插值。
5.根据权利要求1所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，步骤S3所述的插值处理，具体为三次样条插值。
6.根据权利要求1所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，还包括步骤S4，将插值后得到的函数曲线最大值作为互相关函数的最大值。
7.根据权利要求6所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，还包括进而得到对应的超声波飞行时间差。
8.根据权利要求2所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，步骤S1满足超声流量计的低功耗设计需求。
9.根据权利要求3，所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，对τ进一步计算，得到当前流速下超声波的顺逆流飞行时间差。
10.根据权利要求4所述的一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，其特征在于，取插值后的最大值点作为互相关函数的估计最大值点。
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