提高时差超声波流量计气泡适应性的信号处理方法及系统与流程

1.本发明属于流量测量领域，涉及一种提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理方法及系统。


背景技术：

2.对基于时差法的超声波流量计来说，当被测液体中存在气泡时，由于液体声阻抗和气体声阻抗差异大，超声波入射到气泡表面时会产生反射或散射，超声波在含气泡的液体介质中传播路径变得极其复杂，从而导致接收信号波动，影响超声波流量计的可靠工作。
3.现有的基于时差法的超声波流量计在流量测量过程中，通常对上下游时间差数据进行滤波处理，如均值滤波、中值滤波等，当被测介质中存在气泡时，接收声波信号发生较大幅度跳动，导致上下游时间差数据统计特征发生变化，这时如果还用均值滤波、中值滤波等信号处理技术对上下游时间差数据进行处理将不再有效。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理方法及系统，解决时差法超声波流量计在被测液体中存在气泡时测量性能下降或功能丧失的问题。
5.本发明的技术方案是：
6.一种提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理方法，包括：
7.(1)分别设置顺流和逆流传播时间数据缓存区，缓存区大小设置为m，并进行初始化；
8.(2)发射顺流超声脉冲，等待顺流超声信号触发阈值中断，若中断有效则获取超声波流量计顺流传播时间数据，并放入顺流传播时间数据缓存区；
9.(3)发射逆流超声脉冲，等待逆流超声信号触发阈值中断，若中断有效则读取超声波流量计逆流传播时间数据，并放入逆流传播时间数据缓存区；
10.(4)对所述顺流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；
11.(5)对分组后的顺流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得顺流传播时间均值数组；
12.(6)对所述逆流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；
13.(7)对分组后的逆流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得逆流传播时间均值数组；
14.(8)用逆流传播时间均值数组中每个不为零的元素减去顺流传播时间均值数组中每个不为零的元素，获得时间差，如果时间差值满足所给定的阈值范围，则对满足条件的时间差进行累加，获得时间差累加和，并记录累加次数，之后进入步骤(9)；否则返回步骤(2)；
15.(9)利用时间差累加和除以累加次数获得平均时间差，也即滤波后的时间差，用于流量计算。
16.进一步的，超声波流量计顺流传播时间数据为t1，即超声脉冲从上游发射端发射，到下游接收端接收到超声信号并触发阈值中断的时间；
17.超声波流量计逆流传播时间数据为t2，即超声脉冲从下游发射端发射，到上游接收端接收到超声信号并触发阈值中断的时间。
18.进一步的，通过滤波后的时间差进行流量计算，通过如下公式进行：
[0019][0020]
其中，qv为体积流量，d为管路内径，l为上下游超声探头间距，c0为液体声速，为滤波后的时间差。
[0021]
进一步的，对顺流传播时间数据缓存区的数据由小到大进行排序，获得顺流传播时间数据缓存区的最大值和最小值，分别为tof_up_max、tof_up_min；对逆流传播时间数据缓存区的数据由小到大进行排序，获得逆流传播时间数据缓存区的最大值和最小值，分别为tof_down_max、tof_down_min。
[0022]
进一步的，所述对所述顺流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组，具体为：
[0023]
判断顺流传播时间数据缓存区中的最大值和最小值之差是否大于设定阈值；如果大于设定阈值，则以最大值为上限值，以最小值为下限值，在下限值和上限值之间按等间距划分n个区间，每个等分区间为一组，共计n个组；将顺流传播时间数据缓存区中的数据按数值大小分别放入n个等分区间内，并记录每个区间内顺流传播时间数据的个数；如果不大于设定阈值，则不分组，即1个组，组内数据个数即为缓存区大小。
[0024]
进一步的，所述对所述逆流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组，具体为：
[0025]
判断逆流传播时间数据缓存区中的最大值和最小值之差是否大于设定阈值；如果大于设定阈值，则以最大值为上限值，以最小值为下限值，在下限值和上限值之间按等间距划分n个区间，每个等分区间为一组，共计n个组；将逆流传播时间数据缓存区中的数据按数值大小分别放入n个等分区间内，并记录每个区间内逆流传播时间数据的个数；如果不大于设定阈值，则不分组，即1个组，组内数据个数即为缓存区大小。
[0026]
进一步的，等分分组数n不小于10。
[0027]
进一步的，顺流和逆流传播时间数据缓存区均初始化为0，数据缓存区大小为m，且m≥10。
[0028]
进一步的，本发明还提出一种提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理系统，包括：
[0029]
缓存区设置模块：分别设置顺流和逆流传播时间数据缓存区，缓存区大小设置为m，并进行初始化；
[0030]
脉冲发射模块：发射顺流超声脉冲，等待顺流超声信号触发阈值中断，若中断有效则获取超声波流量计顺流传播时间数据，并放入顺流传播时间数据缓存区；发射逆流超声
脉冲，等待逆流超声信号触发阈值中断，若中断有效则读取超声波流量计逆流传播时间数据，并放入逆流传播时间数据缓存区；
[0031]
数据特征判别模块：对所述顺流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；对分组后的顺流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得顺流传播时间均值数组；对所述逆流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；对分组后的逆流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得逆流传播时间均值数组；
[0032]
时间差计算模块：用逆流传播时间均值数组中每个不为零的元素减去顺流传播时间均值数组中每个不为零的元素，获得时间差，如果时间差值满足所给定的阈值范围，则对满足条件的时间差进行累加，获得时间差累加和，并记录累加次数；
[0033]
流量计算模块：利用时间差累加和除以累加次数获得平均时间差，也即滤波后的时间差，用于流量计算。
[0034]
本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0035]
(1)本发明针对基于时差法的超声波流量计，相比与传动时间差方法，可处理由于气泡影响造成的数据波动。
[0036]
(2)本发明针对基于时差法的超声波流量计，相比与传动时间差方法，也可对无气泡存在情况下的超声波信号数据进行滤波。
附图说明
[0037]
图1为正常情况下超声激励信号和接收信号示意图；
[0038]
图2为衰减后的信号示意图；
[0039]
图3为增强后的信号示意图；
[0040]
图4为实施例中气泡情况下顺流和逆流传播时间数据；
[0041]
图5为实施例中传统时间差滤波方法与本发明时间差滤波方法对比图；
[0042]
图6为本发明方法流程图。
具体实施方式
[0043]
如图1所示为正常情况下超声激励信号和接收信号，当液体介质中存在气泡流动时，传播时间测量值为t0。图1的信号可能会衰减为图2的状态，由于比较电平不变，两次接收的信号幅值存在差异。当信号接收出现图2状态的时候，相同流速下，比较电压触发发生时间后移，即传播时间测量值t1大于t0，图1的信号可能增强为图3的状态，比较电压触发发生时间前移，即传播时间测量值t2小于t0。这便是气泡存在时造成传播时间数据波动原因。
[0044]
本发明针对时差法超声波流量计在被测液体中存在气泡时测量性能下降或功能丧失的问题，提出一种信号处理方法，根据时差法超声波流量计的信号特征，对上下游时间信号的统计量进行特征识别，采用聚类算法思想进行流速信息提取，从气泡干扰的波动信号中提取被测液体流速信息，克服气泡对流量测量的影响，有效提升时差法超声波流量计的气泡适应性，拓展时差法超声波流量计的适用范围。
[0045]
具体的，如图6所示，本发明提出的提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理方法，包括如下步骤：
[0046]
a)分别设置顺流和逆流传播时间数据缓存区，并初始化为0，缓存区大小为m，可根据实际应用需求选取(m一般不小于10)；
[0047]
b)发射顺流超声脉冲，等待顺流超声信号触发阈值中断，若中断有效则获取超声波流量计顺流传播时间数据，并放入顺流传播时间数据缓存区；超声波流量计顺流传播时间数据为t1，即超声脉冲从上游发射端发射，到下游接收端接收到超声信号并触发阈值中断的时间；
[0048]
本发明中，一般来讲，顺流超声信号或者逆流超声信号一般在毫伏级别，触发阈值中断，使得中断有效是指顺流超声信号或者逆流超声信号的电压幅值达到设定阈值，比如1v。
[0049]
c)发射逆流超声脉冲，等待逆流超声信号触发阈值中断，若中断有效则读取超声波流量计逆流传播时间数据，并放入逆流传播时间数据缓存区；超声波流量计逆流传播时间数据为t2，即超声脉冲从下游发射端发射，到上游接收端接收到超声信号并触发阈值中断的时间。
[0050]
d)判断顺流传播时间数据缓存区中的最大值和最小值之差是否大于设定阈值；如果是，则以最大值为上限值，以最小值为下限值，在下限值和上限值之间按等间距划分n个区间(n一般不小于10)，每个等分区间为一组，共计n个组；将顺流传播时间数据缓存区中的数据按数值大小分别放入n个等分区间内，并记录每个区间内顺流传播时间数据的个数；如果否，则不分组，即1个组，组内数据个数即为缓存区大小；
[0051]
对顺流传播时间数据缓存区的数据由小到大进行排序，获得顺流传播时间数据缓存区的最大值和最小值，分别为tof_up_max、tof_up_min；
[0052]
e)对分组后的顺流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得顺流传播时间均值数组；
[0053]
判断逆流传播时间数据缓存区中的最大值和最小值之差是否大于设定阈值；如果是，则以最大值为上限值，以最小值为下限值，在下限值和上限值之间按等间距划分n个区间(n一般不小于10)，每个等分区间为一组，共计n个组；将逆流传播时间数据缓存区中的数据按数值大小分别放入n个等分区间内，并记录每个区间内逆流传播时间数据的个数；如果否，则不分组，即1个组，组内数据个数即为缓存区大小；
[0054]
对逆流传播时间数据缓存区的数据由小到大进行排序，获得逆流传播时间数据缓存区的最大值和最小值，分别为tof_down_max、tof_down_min。
[0055]
f)对分组后的逆流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得逆流传播时间均值数组；
[0056]
g)用逆流传播时间均值数组中每个不为零的元素减去顺流传播时间均值数组中每个不为零的元素，获得时间差，如果时间差值满足所给的阈值范围，则对满足条件的时间差进行累加，获得时间差累加和，并记录累加次数；
[0057]
h)利用时间差累加和除累加次数获得平均时间差，也即滤波后的时间差，用于流量计算，计算公式如下：
[0058][0059]
其中，qv为体积流量，d为管路内径，l为上下游超声探头间距，c0为液体声速，为滤波后的时间差。
[0060]
本发明还提出一种提高时差法超声波流量计气泡适应性的信号处理系统，该系统包括：
[0061]
缓存区设置模块：分别设置顺流和逆流传播时间数据缓存区，缓存区大小设置为m，并进行初始化；
[0062]
脉冲发射模块：发射顺流超声脉冲，等待顺流超声信号触发阈值中断，若中断有效则获取超声波流量计顺流传播时间数据，并放入顺流传播时间数据缓存区；发射逆流超声脉冲，等待逆流超声信号触发阈值中断，若中断有效则读取超声波流量计逆流传播时间数据，并放入逆流传播时间数据缓存区；
[0063]
数据特征判别模块：对所述顺流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；对分组后的顺流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得顺流传播时间均值数组；对所述逆流传播时间数据缓存区内的数据进行数据特征判别，并进行分组；对分组后的逆流传播时间数据，组内数据计数不为零的组，求组内平均值，获得逆流传播时间均值数组；
[0064]
时间差计算模块：用逆流传播时间均值数组中每个不为零的元素减去顺流传播时间均值数组中每个不为零的元素，获得时间差，如果时间差值满足所给定的阈值范围，则对满足条件的时间差进行累加，获得时间差累加和，并记录累加次数；
[0065]
流量计算模块：利用时间差累加和除以累加次数获得平均时间差，也即滤波后的时间差，用于流量计算。
[0066]
实施例：
[0067]
以水为介质进行试验，水中掺杂气泡进行试验，试验结果如图4和图5所示。图4为超声波流量计被测介质(水)中存在气泡到没有气泡的过程中顺流传播时间信号和逆流传播时间实测数据，可以看出，在被测介质中含有气泡时，顺逆流传播时间数据呈现剧烈波动，被测介质中不含气泡时，顺逆流传播时间数据表现平稳。
[0068]
图5给出了对顺逆流时间差采用传统均值滤波与采用本发明方法滤波的对比情况，可以看出，本发明方法可适用于被测介质含有气泡的情况。
[0069]
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0070]
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。