[发明专利]一种基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法

说明书

一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法。通过基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法处理回波信号，找到一个稳定的特征点，确定超声波信号顺、逆流传播时间，计算气体流量。这一类信号处理方法计算量较小，保证系统具备较高实时性；同时，保证气体超声波流量计系统满足较高的测量精度。

技术领域

本发明属于流量检测领域，为气体超声波流量计信号处理方法，特别是一类基于回波信号包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，具体包括基于回波信号上包络拟合、基于回波信号上、下包络拟合和改进的基于回波信号上、下包络拟合的气体超声波流量计信号处理方法，以实现气体流量的准确测量。

背景技术

气体超声波流量计具有量程比大、测量精度高、无压损等诸多优点，特别是在大口径天然气流量测量方面，具备独特的优势。气体超声波流量计的测量原理分为传播速度差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法效果好，在气体超声波流量计中应用最为广泛。基于时差法测量原理的气体超声波流量计在测量气体流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点确定超声波信号顺、逆流传播时间，进而计算气体流量。但是，超声波信号在气体介质中传播能量衰减严重，回波信号存在幅值微弱、信噪比低和易受干扰等问题，随着流量增大，这些问题显得尤为严重。并且，直接利用寻找单个峰值点等简单方法确定特征点，容易产生较大波动，影响系统测量精度。

国内外学者对气体超声波流量计信号处理方法进行了研究，主要有以下几种：

(1)基于能量突变的方法

美国Daniel公司采用检测能量突变的方法用于寻找回波信号特征点((WilliamFreund,Winsor Letton,James Mc-Clellan,Baocang Jia,Anni Wey,Wen Chang.Methodand apparatus for measuring the time of flight of a signal,US patentNO.5983730,Nov.16,1999)。回波信号能量变化为一个从弱变强，再从强变弱的过程，相应的能量变化率的变化为先增大后减小，找到变化率变化的临界点，作为特征点，即可确定超声波信号的传播时间。具体步骤为：首先，求取回波信号各点幅值的平方，由于信号各点幅值的平方与信号能量呈线性关系，可表征信号能量大小。然后，利用滑动平均的方法，求取信号各点的平均能量，绘制信号前后两点平均能量之比变化曲线，即可得到能量变化曲线。最后，通过寻找能量变化率变化的临界点，定位回波信号，计算超声波信号的传播时间。但是，该专利中并未披露处理方法的关键参数。

(2)基于能量变化率的方法

从能量变化的角度出发，沈子文等也提出一种基于能量变化率的信号处理方法(沈子文,徐科军,方敏,等.基于能量变化率的气体超声波流量计信号处理方法[J].仪器仪表学报,2015,36(9):2138-2144.)。具体步骤为：首先，对回波信号进行滤波，对滤波后回波信号各峰值点幅值进行平方作为该峰值点的能量，通过前一个峰值点能量与后面峰值进行比较，得到各峰值点的能量变化率，进行包络拟合，得到不同流量下回波信号能量变化曲线；然后，根据能量变化曲线设定阈值，寻找特征波。此方法在实时测量时，需要实时求取回波信号的能量变化曲线，根据预先设定阈值寻找特征点，计算量较大，难以保证系统实时性。并且，需要在流量测量之前进行阈值参数选定，流程较复杂。

(3)基于回波上升段峰值拟合的方法