[发明专利]超声波燃气表超声波模块优化方法及其结构

说明书

本发明公开了一种超声波燃气表超声波模块优化方法，包括：所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。由此使得超声波燃气表测量更加准确。

技术领域

本发明涉及一种超声波燃气表技术领域，具体涉及一种超声波燃气表超声波模块优化方法及其结构。

背景技术

家用超声波燃气表模块包括安装于上下游的一对超声波换能器，交替发射并接收超声波信号，利用顺流与逆流方向超声波信号在气体介质中的传播时间差来计算气体介质的流速，进而计算工况瞬时流量、累计流量。现有技术中的超声波燃气表模块的缺陷如下：采用频率不高，达不到采样需求；超声波模块用于天然气中信号比空气要小3-6倍，信噪比较差，导致信号阈值和过零检测的方法无法使用；超声波模块在不同温度和流量的情况下，波形强度变化较大；温度变化稍大的情况下，超声波换能器的性质变化加大，可能造成零位漂移，这对小流量的测量影响最大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供超声波燃气表超声波模块，以解决现有技术中超声波燃气表测量不准的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了超声波燃气表超声波模块优化方法，包括：

所述上游超声波换能器以及下游超声波换能器的工作频率均为200kHz，片上系统内控制时序实现等效采样，使得等效采样频率达到1MHz；

将上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号进行互相关计算处理，通过互相关获取上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器数字信号的最大相关值，通过最大相关值得到上游超声波换能器的数字信号与下游超声波换能器的数字信号的时间差；

将所述上游超声波换能器与下游超声波换能器通过声电互易进行换能器匹配。

本发明根据乃奎斯特定理，采样率可以设置成换能器工作频率的3～5倍。使用的换能器工作在200kHz，因此采样频率做成1MHz是能够满足要求的，由于成本和运算速度以及硬件资源的限制，设计系统中只有200kHz的基本采样频率，利用短时间内介质超声波换能器的状态不可能突变的原理，通过片上硬件相互配合严格控制时序，实现的等效采样的方式，等效采样频率达到1MHz。

采用数字信号处理的方法来计算时差才能得到正确的结果，使用上下游信号的互相关处理来解决问题，通过最大相关值就可以找到两个信号的时差。

由于采用了相关计算，因此波形的幅值变化就敏感了，克服了信号阈值和过零检测的问题，并且互相关计算实际上也自带滤波作用，相对而言对噪声也就不敏感了，这能够很好地解决目前存在的问题。

那么必须通过其他手段来保证两个波形的对称。基于声电互易原理的换能器匹配提供了解决办法，从而实现信号的对易，从而理论上保证了没有流量时，上游和下游的波形是一样的，从而避免了零位漂移。

所述上游超声波换能器与下游超声波换能器呈L型位置关系设置在燃气通道上。在机械机构方面，超声波换能器的安装方式采用L型安装方式，这种安装方式相对于V型反射来说，超声波传输的声程更长，使得超声波的飞行时间具有更精细的分辨率，使得最终得到的流量值的分辨率也更加精细、准确。

所述上游超声波换能器设置在燃气通道进口处、所述下游超声波换能器设置在接近燃气通道出口处的燃气通道壁外侧。

在获取最大相关值时，数字量计算以1us为间隔，采用插值的方法从离散点得到最大相关值。