CN115773793A - 一种超声水表信号幅度动态调节方法 - Google Patents

一种超声水表信号幅度动态调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流量测量技术领域，公开了一种超声水表信号幅度动态调节方法，包括以下步骤：S1，超声水表上电运行，配置初始化参数，采集上下游换能器的接收信号；S2，由采集到的接收信号，提取上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y，并计算条件熵值；S3，构建信号幅度的调整模型，并根据模型调整信号幅度的检测频率与调节状态值；S4，若信号幅度的调节状态值大于0，则计算待调节的放大器增益值；S5，进行自适应调节；S6，跳转至S1采集上下游换能器的接收信号并重复后续步骤至超声水表运行周期结束。本发明实现了对超声水表接收信号幅度的自适应调节，从而解决了因复杂工况下信号幅度变化导致超声水表测量精度变差的问题。

Description

一种超声水表信号幅度动态调节方法
技术领域
本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种超声水表信号幅度动态调节方法。
背景技术
超声水表一般采用时差法计算流量，即对上下游换能器的接收信号进行数据处理并最终得出流量值，其测量精度受接收信号的变化影响明显。而在超声水表运行期间，影响接收信号的因素有很多，外部干扰或电池欠压等会影响接收信号的直流偏移量；换能器老化、水表管路内结垢会使信号幅度衰减；此外流量和环境温度的变化，也会使接收信号幅度产生差异。传统方法对信号幅度和直流偏移量的处理较为简单，一般为固定增益采样，很难应对上述复杂工况耦合导致的接收信号的变化，导致超声水表测量精度变差。
本方法利用上下游换能器的接收信号，借助接收信号峰峰值和直流偏移量构建信号幅度调整模型，自适应的调节增益，以保证在各种运行工况下，超声水表的接收信号始终能够处于理想区间内，测量不超出最大允许误差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声水表信号幅度动态调节方法，构建了信号幅度调整模型，解决了因复杂工况下信号幅度变化导致超声水表测量精度变差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超声水表信号幅度动态调节方法，包括以下步骤：
S1，超声水表上电运行，配置初始化参数，采集上下游换能器一次测量时的所有接收信号；
S2，由采集到的接收信号，提取上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y，并计算条件熵值，其中条件熵值H（X︱Y）的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 574749DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 274239DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别为上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的最优理想值，取值与器件信噪比和一致性有关，N为测量次数；
S3，构建信号幅度的调整模型，并根据模型调整信号幅度的检测频率与调节状态值；模型具体如下：
若H（X︱Y）在理想上限值
Figure 761721DEST_PATH_IMAGE006
和理想下限值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
之间，则按预设规则降低信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置0；
若
Figure 578236DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置1；
若
Figure 4057DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置2；
若
Figure 312548DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，则按预设规则提高信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置3；
S4，若信号幅度的调节状态值大于0，则计算待调节的放大器增益值
Figure 931617DEST_PATH_IMAGE014
，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 758232DEST_PATH_IMAGE016
为采集上下游换能器的接收信号时的超声水表增益值。
S5，进行自适应调节：
若信号幅度的调节状态值等于0，则不作调节；
若信号幅度的调节状态值等于1，则在处理完本测量周期内所需的数据后更新放大器增益值为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
若信号幅度的调节状态值等于2或3，则在更新放大器增益值为
Figure 945500DEST_PATH_IMAGE017
后，重新采集上下游换能器接收信号进行测量周期内的数据处理；
S6，跳转至S1采集上下游换能器的接收信号并重复后续步骤至超声水表运行周期结束。
优选地，所述步骤S1中配置的初始化参数包括信号幅度检测频率和信号幅度调节状态值：将信号幅度检测频率配置为超声水表的测量频率；将信号幅度调节状态值配置为0。
优选地，所述步骤S2中峰峰值X的计算公式为：
Figure 492019DEST_PATH_IMAGE018
直流偏移量Y的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中max为换能器接收信号的最大值，min为换能器接收信号的最小值。
优选地，所述步骤S3中的理想上限值
Figure 180358DEST_PATH_IMAGE020
和理想下限值
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是根据上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的理想值取值范围计算得出的；理想值取值范围是根据最优理想值和超声水表最大允许误差确定的。
优选地，所述步骤S5中，若连续多次采集上下游换能器接收信号并进行步骤S2~S4后，得到的信号幅度的调节状态值均等于3，则判定器件有损坏风险，超声水表立即发出警报。
优选地，所述步骤S1中上下游换能器接收信号的方式不限定，可以是同发同收，也可以是一发一收。
本发明的有益技术效果：利用上下游换能器的接收信号，提取接收信号峰峰值和直流偏移量计算条件熵，并以此构建信号幅度调整模型，对信号幅度进行自适应的调节，以保证在各种运行工况下，超声水表的接收信号始终能够处于理想区间内，进而使超声水表的测量误差不超出最大允许误差，从而实现了超声水表接收信号幅度的自适应调节。
附图说明
图1为本发明的总体流程图。
图2为本发明实施例中的上下游换能器接收信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：
如图1所示，一种超声水表信号幅度动态调节方法，包括以下步骤：
S1，以安装需满足前后直管段要求为前提，将某型号DN15超声水表接入用水现场，超声水表上电运行，配置初始化参数，即将信号幅度检测频率配置为超声水表的测量频率；将信号幅度调节状态值配置为0；
采集一次测量时的所有上下游换能器的接收信号（需保证接收信号在采样窗口中）；其中上下游换能器接收信号的方式不限定，可以是同发同收，也可以是一发一收；采集结果如图2所示。
S2，由采集到的接收信号，提取上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y，并计算条件熵值：
Figure 849761DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
式中max为换能器接收信号的最大值，min为换能器接收信号的最小值；
条件熵值H（X︱Y）的计算公式为
Figure 942351DEST_PATH_IMAGE024
Figure 241745DEST_PATH_IMAGE002
Figure 874721DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 333384DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 409924DEST_PATH_IMAGE005
分别为上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的最优理想值，取值与器件信噪比和一致性有关，N为测量次数。
实施例中超声水表中的采集波形的器件的采样值范围为-2048~2047，在0.7倍的最大采样值时，即接收信号的最大值约为1433时，信噪比最佳，则将X的最优理想值
Figure 448812DEST_PATH_IMAGE004
设置为2866。经实验分析得出，直流偏移量Y越大，超声水表测量误差越大，考虑器件一致性，将Y的最优理想值
Figure 636211DEST_PATH_IMAGE005
设置为-5。
S3，构建信号幅度的调整模型，并根据模型调整信号幅度的检测频率与调节状态值；模型具体如下：
若H（X︱Y）在理想上限值
Figure 808435DEST_PATH_IMAGE006
和理想下限值
Figure 55877DEST_PATH_IMAGE007
之间，则按预设规则降低信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置0；考虑超声水表的运行功耗，默认降低信号幅度检测频率至超声水表测量频率的四分之一；
若
Figure 313552DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置1；
若
Figure 757171DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 534635DEST_PATH_IMAGE026
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置2；
若
Figure 470754DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 700878DEST_PATH_IMAGE013
，则按预设规则提高信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置3；考虑超声水表的测量精度，默认提高信号幅度检测频率为超声水表测量频率的四倍；
其中理想上限值
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和理想下限值
Figure 682610DEST_PATH_IMAGE028
是根据上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的理想值取值范围计算得出的；理想值取值范围是根据最优理想值和超声水表最大允许误差确定的。
经实验分析，根据超声水表测量精度，在峰峰值X低于2000或者高于4000时，超声水表测量误差超出最大允许误差，故将上下游换能器接收信号的峰峰值X的理想值区间设置为2000~4000。直流偏移量Y超过50后，超声水表测量误差超出最大允许误差，故将直流偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE029
的理想值区间设置为-50~50。
由步骤S2中的条件熵值计算公式，得出理想上限值和理想下限值分别为1.587和5.518。代入信号幅度调整模型中，则实施例符合
Figure 891743DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 480987DEST_PATH_IMAGE013
，则将信号幅度的调节状态值置3，提高信号幅度检测频率为超声水表测量频率的四倍。
S4，计算待调节的放大器增益值
Figure 704465DEST_PATH_IMAGE014
，公式如下：
Figure 37358DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 773101DEST_PATH_IMAGE016
为采集上下游换能器的接收信号时的超声水表增益值。
S5，在更新放大器增益值为
Figure 798826DEST_PATH_IMAGE017
后，重新采集上下游换能器接收信号进行测量周期内的数据处理。
S6，跳转至S1采集上下游换能器的接收信号并重复后续步骤至超声水表运行周期结束。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，超声水表上电运行，配置初始化参数，采集上下游换能器一次测量时的所有接收信号；
S2，由采集到的接收信号，提取上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y，并计算条件熵值，其中条件熵值H（X︱Y）的计算公式为：
Figure 175214DEST_PATH_IMAGE001
Figure 21947DEST_PATH_IMAGE002
Figure 809643DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 866461DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 882959DEST_PATH_IMAGE005
分别为上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的最优理想值，取值与器件信噪比和一致性有关，N为测量次数；
S3，构建信号幅度的调整模型，并根据模型调整信号幅度的检测频率与调节状态值；模型具体如下：
若H（X︱Y）在理想上限值
Figure 836396DEST_PATH_IMAGE006
和理想下限值
Figure 280146DEST_PATH_IMAGE007
之间，则按预设规则降低信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置0；
若
Figure 683315DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure 769083DEST_PATH_IMAGE009
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置1；
若
Figure 42938DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 188748DEST_PATH_IMAGE011
，则调整信号幅度检测频率与测量频率相等并将信号幅度的调节状态值置2；
若
Figure 548055DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 906355DEST_PATH_IMAGE013
，则按预设规则提高信号幅度检测频率并将信号幅度的调节状态值置3；
S4，若信号幅度的调节状态值大于0，则计算待调节的放大器增益值
Figure 568805DEST_PATH_IMAGE014
，公式如下：
Figure 354358DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 466539DEST_PATH_IMAGE016
为采集上下游换能器的接收信号时的超声水表增益值，
S5，进行自适应调节：
若信号幅度的调节状态值等于0，则不作调节；
若信号幅度的调节状态值等于1，则在处理完本测量周期内所需的数据后更新放大器增益值为
Figure 628531DEST_PATH_IMAGE017
；
若信号幅度的调节状态值等于2或3，则在更新放大器增益值为
Figure 876978DEST_PATH_IMAGE017
后，重新采集上下游换能器接收信号进行测量周期内的数据处理；
S6，跳转至S1采集上下游换能器的接收信号并重复后续步骤至超声水表运行周期结束。
2.根据权利要求1所述的一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，所述步骤S1中配置的初始化参数包括信号幅度检测频率和信号幅度调节状态值：将信号幅度检测频率配置为超声水表的测量频率；将信号幅度调节状态值配置为0。
3.根据权利要求1所述的一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，所述步骤S2中峰峰值X的计算公式为：
Figure 99012DEST_PATH_IMAGE018
直流偏移量Y的计算公式为：
Figure 698489DEST_PATH_IMAGE019
式中max为换能器接收信号的最大值，min为换能器接收信号的最小值。
4.根据权利要求1所述的一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，所述步骤S3中的理想上限值
Figure 257647DEST_PATH_IMAGE020
和理想下限值
Figure 376913DEST_PATH_IMAGE021
是根据上下游换能器接收信号的峰峰值X和直流偏移量Y的理想值取值范围计算得出的；理想值取值范围是根据最优理想值和超声水表最大允许误差确定的。
5.根据权利要求1所述的一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，所述步骤S5中，若连续多次采集上下游换能器接收信号并进行步骤S2~S4后，得到的信号幅度的调节状态值均等于3，则判定器件有损坏风险，超声水表立即发出警报。
6.根据权利要求1所述的一种超声水表信号幅度动态调节方法，其特征在于，所述步骤S1中上下游换能器接收信号的方式不限定，可以是同发同收，也可以是一发一收。
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