基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法与流程

1.本发明属于超声波流量测量领域，涉及基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法。


背景技术：

2.超声波渡越时间是指超声波信号从发出到接收所经历的时间，通过检测流体中顺逆流过程的超声波渡越时间，可以根据流速测量公式计算流体速度和流量。渡越时间影响流速测量精度，当超声波接收波形受噪声干扰或流场扰动影响，超声波渡越时间容易出现前移一个周期或后移一个周期的现象，称之为错峰现象。错峰现象将导致超声波流量测量的结果误差变大。
3.为解决出现错峰的问题，现有技术通常采用运放和可调电阻设计自动增益控制电路，当检测到连续多个接收信号幅值较大时，控制可调电阻阻值变小，使运放的输出增益变小，反之则控制电阻阻值变大使运放的输出增益变大，从而输出幅值稳定的超声波信号，避免因幅值跳变导致出现错峰。
4.然而，上述方法仅适用于有规律地放大或缩小超声波接收信号，无法解决幅值时大时小无规律跳动，当管道内气体压力较低或流速较高时，气体介质的可压缩性增大，超声波接收信号的幅值产生忽大忽小的无规律跳动，上述方法仍然会出现错峰现象。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，使接收电路具有更宽的动态调节范围，从而克服不同工况环境下的超声波信号衰减问题以及高流速下接收幅值的无规律跳动问题。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，包括以下步骤：
8.s1、对超声波输入信号进行预处理，所述预处理包括限幅处理和噪声抑制；
9.s2、对预处理后的信号进行对数增益调节，得到幅值稳定的稳幅输出信号；
10.s3、对所述稳幅输出信号进行离散化采样，然后通过均值滤波消除采样噪声，将均值滤波后的波形记为vi；
11.s4、计算渡越时间。
12.进一步，在所述s1中，所述限幅处理由钳位限幅电路实现，所述钳位限幅电路由两个反向并联二极管构成。
13.进一步，在所述s2中，所述对数增益调节由对数放大器实现；所述对数放大器包括inl和inh两个差分输入端，inh端通过电容一与输入连接，inl端通过电容二接地，inl端和inh端通过电阻连接。
14.进一步，在所述s4中，通过渡越时间测量算法计算渡越时间，具体包括：
15.s41、将波形最大值记为v
max
，波形直流分量记为v
aver
，进行波形归一化处理，得到
归一化后的新数组data(i)，使波形最大值为1，直流分量为0：归一化具体如下：
16.(v
i-v
aver
)/v
max
17.其中，i取1～8192；
18.s42、将波形第二波峰峰值与第三波峰峰值的平均值预设为第一阈值，记为k1；将波形第四波峰峰值与第五波峰峰值的平均值预设为第二阈值，记为k2；
19.s43、根据采样周期计算data(i)与k1首次相交位置对应的时间t1，以及data(i)与k2首次相交位置对应的时间t2，确定对应的渡越时间粗测范围[t1，t2]；
[0020]
s44、确定data(i)在[t1，t2]范围内首次由负变正时刻的过零点t
of
。
[0021]
本发明的有益效果在于：
[0022]
本方案在信号处理过程中，采用对数放大器进行开环的对数增益调节，兼具线性和对数放大功能，当输入信号较弱时，它是一个线性放大器，增益较大；输入信号较强时，它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小，稳定输出信号的幅值，解决了超声波气体流量计在使用过程中管道负压越大、瓦斯浓度越大、传播距离越长引起的超声波信号衰减严重的问题。
[0023]
同时，在实现上述信号处理过程采用的电路中，通过对数放大电路代替传统自动增益控制电路，用于对幅值变化较大的超声波接收信号进行增益调节，得到幅值变化小的输出信号，解决高流速下接收信号因气体可压缩性而导致的幅值时大时小无规律跳动问题，克服了现有自动增益控制电路仅适用于有规律地放大或缩小超声波接收信号的技术难题。本方案不仅电路简单，还可以避免处理器频繁进行闭环增益调节；另一方面采用高速ad采集配合渡越时间测量算法代替传统过零检测电路和峰值检测电路，整个测量架构简单高效，外围电路极少，特别有利于降低产品成本和促进设备小型化。
[0024]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0026]
图1为整体测量架构示意图；
[0027]
图2为预处理单元电路示意图；
[0028]
图3为增益调节电路示意图；
[0029]
图4为渡越时间计算软件流程图；
[0030]
图5为超声波渡越时间获取示意图。
具体实施方式
[0031]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0033]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0034]
请参阅图1～图5，为基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，包括以下步骤：
[0035]
s1、对超声波输入信号进行预处理，所述预处理包括限幅处理和噪声抑制；
[0036]
s2、对预处理后的信号进行对数增益调节，得到幅值稳定的稳幅输出信号；
[0037]
s3、对所述稳幅输出信号进行离散化采样，然后通过均值滤波消除采样噪声，将均值滤波后的波形记为vi；
[0038]
s4、通过渡越时间测量算法计算渡越时间。
[0039]
如图1所示，为本方案的整体测量架构，电路由信号预处理单元、增益调节单元、时间测量单元三个部分组成。预处理单元由钳位限幅电路和带通滤波电路构成，用于对超声波输入信号进行限幅处理和噪声抑制；增益调节单元由对数放大器构成，用于对不同幅值的超声波信号进行增益调节，得到幅值稳定的输出信号；时间测量单元由高速ad采集模块和软件渡越时间测量算法构成，用于精确计算超声波渡越时间。
[0040]
预处理单元、增益调节单元、时间测量单元的详细构成及工作方式介绍如下：
[0041]
1、预处理单元
[0042]
如图2所示，钳位限幅电路由两个反向并联二极管构成，可以对输入信号幅值进行限制，防止对后级电路造成损坏；带通滤波电路对前级输入信号进行噪声抑制处理，通过调整r1、c1大小实现高通控制，调整r3、c2大小实现低通控制。
[0043]
2、增益调节单元
[0044]
如图3所示，本实施例中，增益调节单元由对数放大器ad8310构成，ad8310是adi公司生产的一种高速电压输出型对数放大器，包括inl和inh两个差分输入端，inh端通过电容一c1与输入连接，inl端通过电容二c2接地，inl端和inh端通过电阻r2连接，com端接地，vout端连接输出，vpos端通过电阻r1连接3.3v的稳压电源，enbl连接r1的右侧节点，并使该节点通过电阻c3接地，将该节点变为零电势节点。ad8310可以对输入信号幅值变化较大的超声波输入信号进行开环增益对数调节，得到幅值变化小的超声波输出信号，它兼具线性和对数放大功能，当输入信号较弱时，它是一个线性放大器，增益较大；输入信号较强时，它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小。利用对数放大进行增益调节不仅可以简
化设计电路，而且可以节约处理器能耗，可以避免处理器频繁进行闭环增益调节。
[0045]
3、时间测量单元
[0046]
本实施例中，时间测量单元采用内置adc功能的单片机，如stm32f1或stm32f4系列单片机，初始化配置adc的采样频率为8mhz，dma缓冲区大小为8192，adc工作于dma连续采样模式，可以对超声波信号进行离散化采样，然后进行软件均值滤波消除采样噪声，软件滤波后的波形记为vi；
[0047]
如图4所示，渡越时间测量算法具体为：
[0048]
s41、将波形最大值记为v
max
，波形直流分量记为v
aver
，进行波形归一化处理，得到归一化后的新数组data(i)，使波形最大值为1，直流分量为0：归一化具体如下：
[0049]
(v
i-v
aver
)/v
max
[0050]
其中，i取1～8192；
[0051]
s42、将波形第二波峰峰值与第三波峰峰值的平均值预设为第一阈值，记为k1；将波形第四波峰峰值与第五波峰峰值的平均值预设为第二阈值，记为k2；
[0052]
s43、根据采样周期计算data(i)与k1首次相交位置对应的时间t1，以及data(i)与k2首次相交位置对应的时间t2，确定对应的渡越时间粗测范围[t1，t2]；
[0053]
s44、确定data(i)在[t1，t2]范围内首次由负变正时刻的过零点t
of
。
[0054]
如图5所示，通过渡越时间测量算法获得的过零点t
of
即为超声波渡越时间。
[0055]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、对超声波输入信号进行预处理，所述预处理包括限幅处理和噪声抑制；s2、对预处理后的信号进行对数增益调节，得到幅值稳定的稳幅输出信号；s3、对所述稳幅输出信号进行离散化采样，然后通过均值滤波消除采样噪声，将均值滤波后的波形记为v
i
；s4、计算渡越时间。2.根据权利要求1所述的基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，其特征在于：在所述s1中，所述限幅处理由钳位限幅电路实现，所述钳位限幅电路由两个反向并联二极管构成。3.根据权利要求1所述的基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，其特征在于：在所述s2中，所述对数增益调节由对数放大器实现；所述对数放大器包括inl和inh两个差分输入端，inh端通过电容一与输入连接，inl端通过电容二接地，inl端和inh端通过电阻连接。4.根据权利要求1所述的基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，其特征在于：在所述s4中，通过渡越时间测量算法计算渡越时间，具体包括：s41、将波形最大值记为v
max
，波形直流分量记为v
aver
，进行波形归一化处理，得到归一化后的新数组data(i)，使波形最大值为1，直流分量为0：归一化具体如下：(v
i-v
aver
)/v
max
其中，i取1～8192；s42、将波形第二波峰峰值与第三波峰峰值的平均值预设为第一阈值，记为k1；将波形第四波峰峰值与第五波峰峰值的平均值预设为第二阈值，记为k2；s43、根据采样周期计算data(i)与k1首次相交位置对应的时间t1，以及data(i)与k2首次相交位置对应的时间t2，确定对应的渡越时间粗测范围[t1，t2]；s44、确定data(i)在[t1，t2]范围内首次由负变正时刻的过零点t
of
。

技术总结
本发明涉及基于对数增益调节的超声波气体流量计接收信号处理方法，属于超声波流量测量领域。包括以下步骤：S1、对超声波输入信号进行预处理，所述预处理包括限幅处理和噪声抑制；S2、对预处理后的信号进行对数增益调节，得到幅值稳定的稳幅输出信号；S3、对所述稳幅输出信号进行离散化采样，然后通过均值滤波消除采样噪声，将均值滤波后的波形记为V


技术研发人员：马勤勇 于庆 蒋洪庆 但强 罗前刚 王祖迅 万勇 路萍 谭雨果 苟怡 郭清华 梁光清 黄倩 田炎鑫 龙芃君
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/16