CN114923531B - 门限值自适应调整方法及超声波计量装置自适应计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波技术领域，具体是一种门限值自适应调整方法及超声波计量装置自适应计量方法，其中门限值自适应调整方法包括步骤：在信号放大器的增益确定后，确定初始的最佳门限值；判断是否存在长期干扰，如果是，则自适应调整所述初始的最佳门限值，否则保持所述初始的最佳门限值不变；所述长期干扰是指流速在持续时间间隔T内发生变化，且流速的变大步长是

，或者流速的变小步长是

，其中，N是正整数，N=1/2/3……，T_c为超声波脉冲周期，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，

为声道角。本发明方案中门限值会根据情况进行自适应调整，继而提高超声波计量装置的计量精度。

Description

门限值自适应调整方法及超声波计量装置自适应计量方法

技术领域

本发明涉及超声波计量技术领域，特别涉及一种门限值自适应调整方法及超声波计量装置自适应计量方法。

背景技术

超声波计量是采用时间法原理来测量流体介质流速的流体计量设备，通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间来反映流体的流速。其工作原理图如图1所示，超声波在流体介质中顺流方向和逆流方向的时间与燃气的平均流速成正比，通过计算超声波的传播时间与传播距离的关系计算得到流体流速，由流速与声道在燃气表管道截面积的乘积即可获得到燃气的流量。超声波顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是：

（1）

（2）

式中：t _down （t _AB ）——超声波在流体中顺流传播的时间，单位为s；t _up （t _BA ）——超声波在流体中逆流传播的时间，单位为s；L——声道长度，单位为m；c _f ——超声波在流体中传播的速度，在具体流体中是已知的，单位为m/s；v _m ——流体的轴向平均速度，单位为m/s；

——声道角，单位为°。根据公式（1）和公式（2）可推算出流体的平均速度为：

为了减少误差，一般取上述两者的平均值，

（3）

式中的c_f, 在具体流体介质中是已知的，或通过流速为零时，由公式（3）求得。即

,

, 为了减少误差，一般取上述两者的平均值

根据封闭管道中燃气的平均速度

与管道横截面面积

关系，则可得到瞬时流量。

（4）

式中：

——管道横截面面积，单位是m²；

——瞬时流量，单位是m³/h。

计算t_up、t_down, 一般选择头波(第一个波)作为t_up和t_down的到达时间,带入公式(3),就可以计算流速。而要计算头波,必须设定一个检测门限，如图2所示。但正如图3所示,由于实际应用环境很复杂,存在各种干扰噪声,有的是永久存在的,有的是偶然出现的,在超声波计量装置长期无人监控的使用环境中,保持固定的门限值必然使得超声波计量装置的计量精度变差。还有如图4所示，由于各种被测量介质对超声波的传输有衰减作用，所以门限过高，可能检测不到头波，因此门限值的确定对于头波检测以及超声波计量装置的准确计量起着决定性作用。

发明内容

本发明的目的在于提高超声波计量装置在使用过程中的计量准确度，提供一种用于超声波计量装置的头波检测的门限值自适应调整方法，以及超声波计量装置的自适应计量方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种门限值自适应调整方法，包括步骤：

在信号放大器的增益确定后，确定初始的最佳门限值；

判断是否存在长期干扰，如果是，则自适应调整所述初始的最佳门限值，得到新的最佳门限值，否则保持所述初始的最佳门限值不变；

所述长期干扰是指流速在持续时间间隔T内发生变化，且流速的变大步长是

，或者流速的变小步长是

，其中，N是正整数，N=1/2/3……，T_c为超声波脉冲周期，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，

为声道角。

上述方案中，门限值并不是固定不变的，而是会根据情况进行自适应调整，因此基于门限值确定的头波也更加准确，继而根据头波进行计量也更准确，提高超声波计量装置的计量精度。

所述确定初始的最佳门限值的步骤，包括：在流速v_m=0的条件下，堵住超声波计量装置的进口和出口，从小到大自动调节门限值的大小，且在逐渐增大门限值的过程中，当门限值大于噪声后，取t_up、t_down的均方差小于等于设定值时对应的门限值作为th₁，取刚开始找到第二个波时对应的门限值为th₂，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2；t _down 为超声波在流体中顺流传播的时间，t _up 为超声波在流体中逆流传播的时间。

所述自适应调整所述初始的最佳门限值的步骤，包括：

针对于超声波计量装置允许关断但关断时段有限制的情况，在允许关断的时段，关断超声波计量装置的进口和出口，在新的零流速条件下且信号放大器的增益确定后，按照确定所述初始的最佳门限值的方法自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt；

或者，针对于超声波计量装置不允许关断的情况，根据历史记录流量信息，选择在平常不进行计量的时段，在信号放大器的增益确定后，按照确定所述初始的最佳门限值的方法自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt；

或者，针对于超声波计量装置允许立即关断的情况，首先，同步调整信号放大器的增益和调整门限值，由小到大调整，根据流量在短时间内缓慢变化的特点，取得增益系数和th₁，th₁取值为t_up、t_down的均方差小于等于设定值时对应的门限值；然后，增益不变，继续增大门限值，如果流速发生变化且变化步长是

或

，则th₂取值为流速v_m发生第一次变化时对应的门限值，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2。

还包括步骤：当信噪比增加预设值后，首先调小门限值，按照确定所述初始的最佳门限值的方法获得最优门限值th_opt，然后逐渐调小信号放大器的增益，一直到恢复原信噪比为止。

环境噪声就是干扰，噪声变大，会降低信噪比，这时会加信号大放大器的放大倍数，提高信号增益，并提高信噪比，但同时会增加功耗。当环境噪声变小时，信噪比会变大，就没有必要维持高信号增益和高功耗。上述方案中在信噪比增加到预设值后就降低信号增益，因此降低了功耗，节省了电能。

一种超声波计量装置自适应计量方法，包括步骤：

按照任一实施方式所述的门限值自适应调整方法确定出最佳门限值；

根据确定出的最佳门限值确定头波，并根据头波确定出t_up和t_down的到达时间；

根据以下公式计算出流量q：

，

，

，其中，t _down 为超声波在流体中顺流传播的时间，t _up 为超声波在流体中逆流传播的时间，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，v _m 为流体的轴向平均速度，

为声道角，

为管道横截面面积。

在存在长期干扰且超声波计量装置允许立即关断的情况下，去除长期干扰这段时间的计量，取上一年度同时期的流量数据作为所述长期干扰这段时间的流量统计值。

在不存在长期干扰的情况下，去除干扰这段时间的计量，取上一年度同时期的流量数据作为所述干扰这段时间的流量统计值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明方案中，超声波计量装置能自动识别判断长期或非长期干扰，并进行自适应的调整门限值，消除和减弱这些不利影响，使得超声波计量装置自动长期稳定可靠地按照设定的计量精度进行工作，且不需要人工的干预。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为超声波燃气表的工作原理图。

图2为理想应用环境下通过门限值确定头波的示意图。

图3为实际应用环境下通过门限值确定头波的示意图。

图4为门限值过高时头波的表达示意图。

图5为实施例中提供的用于超声波计量装置的头波检测的门限值自适应调整方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图5所示，本实施例中提供的一种门限值自适应调整方法，门限值主要用于超声波计量装置的头波检测。该方法包括以下步骤：

S1，在信号放大器的增益确定后，确定初始的最佳门限值。

超声波计量装置在一个工作环境刚安装好开始工作时，在静态流速v_m=0的条件下(流速v_m=0，流量为零，小于超声波计量装置的最小流量和始动流量)，堵住超声波计量装置的进口和出口，从小到大自动调节门限值的大小，刚开始由于门限值th小于噪声，所以测量的t_up、t_down（t_up、t_down的计算公式请见背景技术中的公式（1）和公式（2））是不准的，v_m也是随机变动的；继续增大门限值，当门限值th₁大于噪声时，开始得到一个较稳定t_up、t_down，取t_up、t_down刚开始稳定（刚开始稳定的含义为：t_up、t_down在设定时间内的变化率均小于设定值，例如取±2%，或者定义为t_up、t_down的均方差小于等于设定值）时的门限值作为th₁；继续增大门限值，t_up、t_down，越来越稳定；继续增大门限值th₂（th₂取值为刚开始找到第二个波时对应的门限值），由于超过了头波的幅值，虽然会找到第二个波，但是t_up和t_down会增加发送波信号的一个周期，而这个周期是已知的，所以为了最好的工作，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2。在调节好th_opt后，超声波计量装置的计量***就可以正常工作了，即按照背景技术中的公式进行精确计量。

S2，判断是否存在长期干扰，如果是则自适应调整最佳门限值。

当计量***的环境突然发生改变，环境噪声变大，在以前最佳门限值时，可能会导致寻找稳定的头波失败，流速v_m会剧烈大幅度变化（在一个信号周期或多个信号周期叠加随机噪声的影响），突大突小（而实际流量值是缓慢变化的）。此时，设定一个时间间隔T，如果超过这个时间间隔，流速v_m还没有平缓下来，此时，可以认为遇到了长期干扰，已经不能进行正常计量，需要调整最佳门限值。

即是说，在使用过程中，通过流速v_m的变化情况来判断是否存在长期干扰，若流速v_m突大突小，且持续设定的时间间隔T仍然没有平缓下来，则判断为存在长期干扰，否则判断为不存在长期干扰。此处，如果流速的变化步长是

或

，则认为流速突大突小，其中，N是正整数，N=1/2/3……，T_c为超声波脉冲周期，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，

为声道角。也就是说，长期干扰是指，流速在持续时间间隔T内发生变化，且流速的变大步长是

，或者流速的变小步长是

。

当被认定为存在长期干扰时，本实施例中，针对不同情况提出了3种措施来自适应调整最佳门限值。

第一种措施：当超声计量允许关断（即是指不是大流量计量或关键计量等应用场合，不需要每年365天，每天24小时不间断计量，可以进行按钮或网络设置进行临时停止）但关断时段有限制时，在允许关断的时段，关断阀门（关断进口和出口），在新的零流量条件下进行接收信号放大器自动增益的调整以及自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt。此处寻找新的最佳门限值的方式就是按照步骤S1中方法确定最佳门限值th_opt。

第二种措施：当超声计量不允许关断时，此时继续检测信号的质量（信号的质量是指是否比较稳定，不会出现突大突小的情况）和t_up、t_down，结合超声波计量装置的时钟，根据历史记录流量信息，选择在平常不进行计量时段（也就是说，等到平常不进行计量的时段才来寻找最佳门限值），此时，流速v_m接近于零,进行接收信号放大器自动增益的调整以及自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt。此处寻找新的最佳门限值的方式就是按照步骤S1中方法确定最佳门限值th_opt。

第三种措施：针对于超声波计量装置允许立即关断的情况，马上进行门限值和放大器增益的调整。首先，同步调整放大器增益和调整门限值，由小到大调整（此处是抛弃原来的最佳门限值，从放大器增益和门限增益的最小值开始调大），根据流量在短时间内不是剧烈变化(缓慢变化)的特点，取得增益系数和th₁（t_up、t_down的均方差小于等于设定值时对应的门限值），然后，增益不变，继续增大门限值，如果流速发生变化且变化步长是

或

，则th₂取值为流速v_m发生第一次变化时对应的门限值，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2。同时根据历史流量记录信息，进行故障这段时间的流量估计计量，进而减少损失。此处作为一种最简单的实现方式，流量估算就是取例如上一年度同季节同月份同日期的同时间段的历史流量数据作为流量统计值。

信号放大器是放大有用信号，增加信噪比，使信号大于噪声，后面才能进行门限值的调整，因此在自适应调整门限值时也需要自适应调整信号放大器的增益。

如果不是长期干扰，最佳门限值不调整，但是能量计算采用历史数据进行估算，即可以去除干扰这段时间的计量，根据历史计量数据，进行干扰这段时间的流量估计计量（由于时间短，对累积计量没有影响），例如取上一年度同时期的流量数据作为所述干扰这段时间的流量统计值。

为了节约功耗，当环境噪声又变小后，需要进行信号放大器放大增益的调小。为此，超声波计量装置要根据时钟和历史流量数据，定期定时在流速v_m为零或很小（小于设定值）时，进行自动的信号放大器增益的调整。首先调小门限值，获得最佳门限值th_opt（结合超声波计量装置的时钟，根据历史记录流量信息，选择在平常不进行计量时段进行调整，调整方式采用步骤S1中所述方式），然后逐渐调小自动增益，一直到超声波计量装置的t_up、t_down两个变量不能维持稳定的关系为止，此时的增益为最小工作增益。但为了抗干扰需要，需要增加一个保险值（即留有一定的冗余度），例如增益逐渐减小直至恢复到原信噪比为止。作为一种实现方式，环境噪声变小的判断依据是信噪比增加预设值，例如5%。

门限值自适应调整后，超声波计量装置的计量方法也会自适应调整，实现自适应计量。可以理解为本实施例中同时提供了一种超声波计量装置自适应计量方法，包括步骤：

步骤1，按照前述方法确定出最佳门限值；

步骤2，根据确定出的最佳门限值确定头波，并根据头波确定出t_up和t_down的到达时间；

步骤3，根据以下公式计算出流量q：

，

，

，其中，t _down 为超声波在流体中顺流传播的时间，t _up 为超声波在流体中逆流传播的时间，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，v _m 为流体的轴向平均速度，

为声道角，

为管道横截面面积。

需要注意的是，在存在长期干扰且运行立即关断超声波计量装置的情况下，以及在不存在长期干扰的情况下，优选去除干扰这段时间的计量，根据历史流量记录信息，进行这段时间的流量估计计量，例如取上一年度同时期的流量数据作为这段时间的流量统计值。而在其他情况下，则按照步骤3的方式进行计量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种门限值自适应调整方法，其特征在于，包括步骤：

在信号放大器的增益确定后，确定初始的最佳门限值；

判断是否存在长期干扰，如果是，则自适应调整所述初始的最佳门限值，得到新的最佳门限值，否则保持所述初始的最佳门限值不变；

所述长期干扰是指流速在持续时间间隔T内发生变化，且流速的变大步长是

，或者流速的变小步长是

，其中，N是正整数，N=1/2/3……，T_c为超声波脉冲周期，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，

为声道角；

所述确定初始的最佳门限值的步骤，包括：

在流速v_m=0的条件下，堵住超声波计量装置的进口和出口，从小到大自动调节门限值的大小，且在逐渐增大门限值的过程中，当门限值大于噪声后，取t_up、t_down的均方差小于等于设定值时对应的门限值作为th₁，取刚开始找到第二个波时对应的门限值为th₂，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2；t _down 为超声波在流体中顺流传播的时间，t _up 为超声波在流体中逆流传播的时间；

所述自适应调整所述初始的最佳门限值的步骤，包括：

针对于超声波计量装置允许关断但关断时段有限制的情况，在允许关断的时段，关断超声波计量装置的进口和出口，在新的零流速条件下且信号放大器的增益确定后，按照确定所述初始的最佳门限值的方法自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt；

或者，针对于超声波计量装置不允许关断的情况，根据历史记录流量信息，选择在平常不进行计量的时段，在信号放大器的增益确定后，按照确定所述初始的最佳门限值的方法自适应调节门限值，找到新的最佳门限值th_opt；

或者，针对于超声波计量装置允许立即关断的情况，首先，同步调整信号放大器的增益和调整门限值，由小到大调整，根据流量在短时间内缓慢变化的特点，取得增益系数和th₁，th₁取值为t_up、t_down的均方差小于等于设定值时对应的门限值；然后，增益不变，继续增大门限值，如果流速发生变化且变化步长是

或

，则th₂取值为流速v_m发生第一次变化时对应的门限值，设置最佳门限值th_opt=(th₂+th₁)/2。

2.根据权利要求1所述的门限值自适应调整方法，其特征在于，还包括步骤：当信噪比增加预设值后，首先调小门限值，按照确定所述初始的最佳门限值的方法获得最优门限值th_opt，然后逐渐调小信号放大器的增益，一直到恢复原信噪比为止。

3.一种超声波计量装置自适应计量方法，其特征在于，包括步骤：

按照权利要求1-2任一所述的方法确定出最佳门限值；

根据确定出的最佳门限值确定头波，并根据头波确定出t_up和t_down的到达时间；

根据以下公式计算出流量q：

，

，

，其中，t _down 为超声波在流体中顺流传播的时间，t _up 为超声波在流体中逆流传播的时间，L为声道长度，c _f 为超声波在流体中传播的速度，v _m 为流体的轴向平均速度，

为声道角，

为管道横截面面积。

4.根据权利要求3所述的超声波计量装置自适应计量方法，其特征在于，在存在长期干扰且超声波计量装置允许立即关断的情况下，去除长期干扰这段时间的计量，取上一年度同时期的流量数据作为所述长期干扰这段时间的流量统计值。

5.根据权利要求3所述的超声波计量装置自适应计量方法，其特征在于，在不存在长期干扰的情况下，去除干扰这段时间的计量，取上一年度同时期的流量数据作为所述干扰这段时间的流量统计值。

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