一种超声波流量测量方法及低功耗超声波流量计与流程

本发明属于流量检测技术领域，涉及超声波流量测量，尤其是一种超声波流量测量方法及低功耗超声波流量计。

背景技术：

目前，国内超声波流量计产品较多，成本较低，但是总体的性能不高，国外的超声波流量计在精度、性能等方面比较好，但是价格昂贵，限制了其在工业中大量的应用。

超声波流量计的测量多采用时差法，时间的测量多是基于阈值过零比较或是互相关算法，阈值过零比较对于超声波传感器的稳定性和一致性要求比较高，超声波回波信号必须稳定，但目前国内的超声波传感器的性能都不是特别好，国外传感器性能好，但是，价格过于昂贵，是国内传感器的好几倍。采用互相关算法需要高速adc，流量与顺逆流时间差成正比，要想得到高精度的流量测量，必须对顺逆流传播时间差进行高精度测量，如果时间测量误差为20ns，adc的采样速率必须达到50mhz，目前市场上没有这么高采样速率的adc，所以导致使用本算法进行流量测量的误差会很大，精度低。

因此，设计一种针对传感器性能和一致性不是特别好且稳定性高和鲁棒性强的超声波流量计及其算法，具有重要的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超声波流量测量方法及低功耗超声波流量计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种超声波流量测量方法，以超声波信号对管道流量进行测量，具体为：以顺、逆流超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法，运算得到的输出为顺、逆流方向超声波传播的时间差，以顺流方向的超声波回波和零流量下的静态超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法，运算得到的输出为顺流方向的绝对飞行时间，以顺流方向的绝对飞行时间减去顺、逆流飞行时间差得到逆流方向的绝对飞行时间，然后采用顺、逆流超声波信号传播时间差、顺流方向绝对飞行时间、逆流方向绝对飞行时间、以及管道参数和两对超声波换能器安装角度参数来计算流体的流速，进而得到流体的体积流量。

进一步，以上获取所述顺、逆流方向超声波传播的时间差具体为：

采集顺、逆流方向的回波信号，对采集到的两路信号进行互相关运算，取互相关运算后最大值点对应横坐标t的前l个点、最大值点、以及后l个点构成三参数拟合正弦曲线算法中的输入信号，其中l是自然数；要拟合的正弦曲线的频率ω为超声波换能器的激励频率，然后经过三参数拟合曲线算法得到拟合后的曲线的最大值点对应的横坐标i，(t-l+i)/fs为计算得到的顺、逆流方向超声波传播的时间差，其中fs为信号的采样频率。

进一步，以上获取顺流方向绝对飞行时间具体为：

首先存储顺流方向零流量下的静态超声波回波信号，每台流量计只需存储一次静态信号，存储在eeprom中，然后将顺流方向静态回波信号与采集到的顺流方向超声波回波信号进行互相关运算，取互相关运算后最大值点对应横坐标t的前l个点、最大值点、以及后l个点构成三参数拟合正弦曲线算法中的输入信号，l是自然数，要拟合的正弦曲线的频率ω为超声波换能器的激励频率，然后经过三参数拟合曲线算法得到拟合后的曲线的最大值点对应的横坐标i，(t-l+i)/fs为计算得到的顺流方向绝对飞行时间，其中fs为信号的采样频率。

进一步，以上基于超声波时差法的顺、逆流时间差，顺流方向绝对飞行时间，以及逆流方向绝对飞行时间三个重要参数的测量以及流量测量算法步骤具体如下：

步骤1)：已知超声波换能器的频率为ω，该频率为要拟合的正弦曲线的频率，采集的信号长度为n，信号的采样频率为fs。

步骤2)：采集两路信号，分别为x(n)和y(n)，x(n)为顺流方向的超声波回波信号，y(n)为逆流方向的超声波回波信号，n为信号长度；

步骤3)：在信号x(n)前面补零，在信号y(n)后面补零，补零后的序列长度为n，n的长度需为2^r，r为自然数，补零后的信号为x’(n)和y’(n)；

步骤4)：分别对x’(n)和y’(n)进行快速傅里叶变换(fft)，得到信号x(k)和y(k)；

步骤5)：求取x(k)的共轭为x*(k)；

步骤6)：将x*(k)与y(k)相乘，得到的信号为rxy(k)；

步骤7)：对rxy(k)进行逆傅里叶变换(ifft)，得到互相关信号rxy(τ)；

步骤8)：对rxy(τ)进行峰值搜索，找到互相关信号rxy(τ)最大值点对应的横坐标，记为t。

步骤9)：取互相关信号rxy(τ)最大值点(t，rxy(t))前l个点、最大值点、以及后l个点的纵坐标构成信号y，y是要进行拟合的离散序列；

步骤10)：构造矩阵m，

步骤11)：计算

步骤12)：拟合的正弦曲线表达式为：

其中，

步骤13)：令ωi+θ＝0，得到拟合的正弦曲线的最大值点对应的横坐标为i，

步骤14)：顺、逆流时间差为δt，δt＝(t-l+i)/fs；

步骤15)：采集两路信号，分别为x(n)和y(n)，x(n)为顺流方向的超声波回波信号，y(n)为存储的顺流方向零流量下的静态超声波回波信号，n为信号长度；

步骤16)：重复步骤3)到步骤13)，顺流方向的传播时间为tup，tup＝(t-l+i)/fs；

步骤17)：逆流反向的传播时间为tdn，tdn＝tup-δt；

步骤18)：根据流量计算公式得到最终要测量的流量，其中，d为管道直径，θ为超声波换能器的连线与测量管道轴线的夹角。

本发明还提出一种基于上述超声波流量测量方法的低功耗超声波流量计：包括mcu模块以及与mcu模块分别连接的电源管理模块、超声波发射接收模块、温度和压力采集模块、菜单功能模块、通信功能模块和流量输出功能模块；所述超声波发射接收模块包括两对超声波换能器、第一模拟开关、四路超声波驱动电路、第二模拟开关、自动增益控制电路和极性调整电路；其中，两对超声波换能器呈x型安装在测量管道上；第一模拟开关实现四选一选通激励信号发送给超声波换能器的通道，四路超声波驱动电路将激励信号的电压加大，使激励信号驱动超声波换能器，从而使超声波换能器共振，产生超声波发射信号；第二模拟开关是四选一选通超声波换能器接收信号；自动增益控制电路将超声波换能器接收到的回波信号进行放大；极性调整电路调整回波信号并供mcu模块内部adc进行采集。

进一步，以上每对超声波换能器的连线与测量管道轴线的夹角为45o。

进一步，上述mcu模块为stm32l476rg低功耗芯片；所述自动增益控制电路将超声波换能器接收到的回波信号进行放大，幅值控制在±3.3v，放大倍数是根据当前信号幅度自动调整；所述极性调整电路是将回波信号调整在0～2.5v之间，以供stm32l476rg芯片内部adc进行采集。

进一步，上述温度和压力采集模块包括温度传感器、温度放大电路、压力传感器、压力放大电路和24位sigma-deltaadc；其中，所述温度放大电路对温度传感器的信号进行放大；压力放大电路对压力传感器的信号进行放大；所述24位sigma-deltaadc对温度和压力信号进行采集，将采集到的温度和压力信号用于温度和压力测量，也用于工况流量转标况流量计算。

进一步，上述菜单功能模块包括按键和液晶，按键查看和设置参数，液晶显示按键操作的内容，按键和液晶结合实现菜单功能，实现人机交互；所述通信功能模块包括rs485通信和nb-iot无线通信，rs485通信采用modbus通信协议；无线通信采用nb-iot模块，内置sim卡，具有联网功能，使仪表联网，实现远程抄表。

进一步，上述流量输出功能模块包括脉冲输出和恒流源输出，脉冲输出用于计量，恒流源输出是将流量以标准的电流信号形式进行变送输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够准确测量顺、逆流方向超声波传播的时间差，以及顺流方向和逆流方向的绝对飞行时间，并且具有稳定性高和鲁棒性强的特点，受外界干扰影响小，能够明显的提高现有超声波流量计测量的稳定性和精度。

进一步的，本发明的低功耗超声波流量计中加入了nb-iot无线通信模块，内置sim卡，具有联网功能，可以实现远程抄表。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

其中：1为电源管理模块，2为超声波发送接收模块，3为温度和压力采集模块，4为mcu，5为菜单功能模块，6为通信功能模块，7为流量输出功能模块。

具体实施方式

本发明首先提出一种超声波流量测量方法：该方法是运用mcu模块的运算处理能力，以超声波信号为对象来对流量进行测量，超声波流量的测量最主要的是要能够得到稳定且精度高的顺、逆流时间差，以及顺流方向和逆流方向的绝对飞行时间，为获得三个时间参数，该算法具体为：以顺、逆流超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法，运算得到的输出为顺、逆流方向超声波传播的时间差，以顺流方向的超声波回波和零流量下的静态超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法，运算得到的输出为顺流方向的绝对飞行时间，以顺流方向的绝对飞行时间减去顺、逆流飞行时间差得到逆流方向的绝对飞行时间，然后采用顺、逆流超声波信号传播时间差、顺流方向绝对飞行时间、逆流方向绝对飞行时间、以及管道参数和两对超声波换能器安装角度参数来计算流体的流速，进而得到流体的体积流量。

本发明中，获取顺、逆流方向超声波传播的时间差具体为：

经过采集顺、逆流方向的回波信号，对采集到的两路信号进行互相关运算，取互相关运算后最大值点对应横坐标t的前l个点、最大值点、以及后l个点构成三参数拟合正弦曲线算法中的输入信号，l是自然数，要拟合的正弦曲线的频率ω为超声波换能器的激励频率，然后经过三参数拟合曲线算法得到拟合后的曲线的最大值点对应的横坐标i，(t-l+i)/fs为计算得到的顺、逆流方向超声波传播的时间差。

本发明中，获取顺流方向绝对飞行时间具体为：

首先存储顺流方向零流量下的静态超声波回波信号，每台流量计只需存储一次静态信号，存储在eeprom中，然后将顺流方向静态回波信号与采集到的顺流方向超声波回波信号进行互相关运算，取互相关运算后最大值点对应横坐标t的前l个点、最大值点、以及后l个点构成三参数拟合正弦曲线算法中的输入信号，l是自然数，要拟合的正弦曲线的频率ω为超声波换能器的激励频率，然后经过三参数拟合曲线算法得到拟合后的曲线的最大值点对应的横坐标i，(t-l+i)/fs为计算得到的顺流方向绝对飞行时间。

进一步，基于超声波时差法的顺、逆流时间差，顺流方向绝对飞行时间，以及逆流方向绝对飞行时间三个重要参数的测量以及流量测量算法步骤具体如下：

步骤1)：已知超声波换能器的频率为ω，该频率为要拟合的正弦曲线的频率，采集的信号长度为n，信号的采样频率为fs。

步骤2)：采集两路信号，分别为x(n)和y(n)，x(n)为顺流方向的超声波回波信号，y(n)为逆流方向的超声波回波信号，n为信号长度；

步骤3)：在信号x(n)前面补零，在信号y(n)后面补零，补零后的序列长度为n，n的长度需为2^r，r为自然数，补零后的信号为x’(n)和y’(n)；

步骤4)：分别对x’(n)和y’(n)进行快速傅里叶变换(fft)，得到信号x(k)和y(k)；

步骤5)：求取x(k)的共轭为x*(k)；

步骤6)：将x*(k)与y(k)相乘，得到的信号为rxy(k)；

步骤7)：对rxy(k)进行逆傅里叶变换(ifft)，得到互相关信号rxy(τ)；

步骤8)：对rxy(τ)进行峰值搜索，找到互相关信号rxy(τ)最大值点对应的横坐标，记为t。

步骤9)：取互相关信号rxy(τ)最大值点(t，rxy(t))前l个点、最大值点、以及后l个点的纵坐标构成信号y，y是要进行拟合的离散序列；

步骤10)：构造矩阵m，

步骤11)：计算

步骤12)：拟合的正弦曲线表达式为：

其中，

步骤13)：令ωi+θ＝0，得到拟合的正弦曲线的最大值点对应的横坐标为i，

步骤14)：顺、逆流时间差为δt，δt＝(t-l+i)/fs；

步骤15)：采集两路信号，分别为x(n)和y(n)，x(n)为顺流方向的超声波回波信号，y(n)为存储的顺流方向零流量下的静态超声波回波信号，n为信号长度；

步骤16)：重复步骤3)到步骤13)，顺流方向的传播时间为tup，tup＝(t-l+i)/fs；

步骤17)：逆流反向的传播时间为tdn，tdn＝tup-δt；

步骤18)：根据流量计算公式得到最终要测量的流量，其中，d为管道直径，θ为超声波换能器的连线与测量管道轴线的夹角。

本发明中的时间测量算法适用于任何具有两路输入信号来测量时间的应用领域。

基于以上所述的超声波流量测量方法，本发明还提出一种低功耗超声波流量计，下面结合附图对本发明的低功耗超声波流量计做进一步详细描述：

本发明的低功耗超声波流量计如图1所示，包括电源管理模块1，超声波发送接收模块2，温度和压力采集模块3，mcu4，菜单功能模块5，通信功能模块6，流量输出功能模块7。

电源管理模块实现超声波流量计的低功耗测量，mcu采用stm32l476rg低功耗芯片，该芯片内部具有多种低功耗模式，可以使cpu按照要处理的任务工作在不同低功耗模式，同时，通过cpu的i/o引脚控制外部电路模块的供电，当工作时，对该模块进行供电，当不工作时，对该模块断电处理。通过电源管理使整个超声波流量计功耗降低，延长电池使用寿命。

超声波发送接收模块与mcu连接，通过mcu输出超声波激励信号，模拟开关1实现4选1控制选通激励信号将发送给哪个超声波换能器，4路超声波驱动电路作用是将激励信号的电压加大，使激励信号的能量能够驱动超声波换能器，从而使超声波换能器共振，产生超声波发射信号；超声波的收发控制为超声波换能器1发送信号，超声波换能器3接收回波信号，该信号为一声道顺流方向回波信号，超声波换能器3发送信号，超声波换能器1接收回波信号，该信号为一声道逆流方向回波信号，超声波换能器2发送信号，超声波换能器4接收回波信号，该信号为二声道顺流方向回波信号，超声波换能器4发送信号，超声波换能器2接收回波信号，该信号为二声道逆流方向回波信号。模拟开关2是实现4选1控制选通哪个超声波换能器接收信号，将一、二声道的顺、逆流回波信号经过自动增益控制电路将信号幅值控制在±3.3v，然后经过极性调整电路是将回波信号调整在0～2.5v之间。

极性调整模块输出的信号接入mcu，采用mcu芯片内部adc采集回波信号，以采集到的顺、逆流超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法后，运算得到的输出为顺、逆流方向超声波传播的时间差，以顺流方向的超声波回波和零流量下的静态超声波回波信号作为输入，采用互相关和三参数拟合正弦曲线算法后，运算得到的输出为顺流方向的绝对飞行时间，以顺流方向的绝对飞行时间减去顺、逆流飞行时间差得到逆流方向的绝对飞行时间，然后采用顺、逆流超声波信号传播时间差、顺流方向绝对飞行时间、逆流方向绝对飞行时间、以及管道参数和两对超声波换能器安装角度参数来计算流体的流速，进而得到流体的体积流量。

温度传感器连接温度放大电路，压力传感器连接压力放大电路，温度放大电路和压力放大电路接到24位sigma-deltaadc进行温度和压力采集，24位sigma-deltaadc可以对温度和压力信号进行高精度采集，采集到的温度和压力信号用于温度和压力测量，也用于工况流量转标况流量计算。

菜单功能模块包括按键和液晶，按键查看和设置参数，液晶显示按键操作的内容，按键和液晶结合实现菜单功能，实现人机交互。

通信功能模块包括rs485通信和nb-iot无线通信，rs485通信采用modbus通信协议；无线通信采用nb-iot模块，内置sim卡，具有联网功能，使仪表联网，实现远程抄表。

流量输出功能模块包括脉冲输出和恒流源输出，脉冲输出用于计量，恒流源输出是将流量以标准的电流信号形式进行变送输出。

本发明的超声波流量测量方法及低功耗超声波流量计具有稳定性高和鲁棒性强的特点，抗噪声干扰能力强，能够减少测量误差，明显的提高现有超声波流量计测量的稳定性和精度，在气田生产过程中，能够可靠、稳定、准确地对天然气体积流量进行测量。