基于TDC方案的改进型气体计量方法与流程

基于tdc方案的改进型气体计量方法
技术领域
1.本发明属于超声波气体计量的技术领域，具体涉及一种基于tdc方案的改进型气体计量方法。


背景技术：

2.目前，市面上面向天然气计量的超声波流量计主要有两种方案，第一种是基于相关法的计量方案；另一种是tdc计量方法，即tdc阈值法。
3.其中，相关法计算量大，每次测量时间偏长，不利于快速计量，因为一般在民用领域使用较多；但其精度高，且受温度影响较小，对超声换能器的性能要求也较低。tdc阈值法比较常见且成熟，有集成方案，计量速度快，功耗低，利于快速计量等特点，而且测量范围比较宽，适用于工商业领域；但其对温度和介质敏感，且对传感器要求也较高，因而最早在液体计量领域应用量较大，后来逐步过渡到气体计量领域。
4.由于国内企业目前受测量集成方案和超声传感器的制约，因而在中大口径的工商业天然气计量领域建树较少，在采用tdc阈值法时，容易受气体组分和环境温度压力的影响，或者是超声传感器特性等方面的约束，导致某些情况下可能出现计量错误的情况。
5.常见的tdc阈值法集成计量芯片有gp2x系列。以gp22为例，其原理如下：tdc-gp22的测量流程如图1所示，其主要特点为查找首波(first hit level)，通过设定首波检测的阈值大小，来根据接收波形第一个大于等于首波阈值的位置确定传播时间，其关系到测量是否准确。为了准确的定位首波位置，芯片可以通过设置很多参数来限定，包括接收信号的放大倍数调整、首波检测幅值大小的设定、首波触发比较的脉冲宽度比率等等，都是为了在实际中根据接收信号进行调整，确保每次测量时定位到的首波位置均一致(例如都是第三个波形)。但是在长期使用中发现，该首波位置往往与气体组分、检测温度、压力等均相关，还与换能器长期时候后的特性变化等相关。在实际检测过程中，不管因为什么因素导致首波位置检测出现偏差，都会导致很大的误差。特别是几乎所有流量计产品都是基于空气标定的，当进行天然气计量时波形特性会发生很大改变，如果出现识别偏差，将出现无法接受的计量偏差。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于tdc方案的改进型气体计量方法，准确地找到接收的超声波波形中真实的超声波到达关键点，消除了超声波传播介质和环境变化的影响，提高超声波在燃气管道内传播时间计量的准确性，从而提高气体计量准确性。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.一种基于tdc方案的改进型气体计量方法，其关键技术在于按照以下步骤进行：
9.步骤一：采用tdc计量测试方案，在燃气管道上安装换能器；
10.步骤二：设定换能器驱动波形频率f和信号采样率y，进行波发送和adc采样，得到n
组超声波信号波形数据；n为大于等于2的整数；
11.步骤三：根据超声波信号到达前和到达后的特征，将超声波信号波形数据分成超声波信号等待段和超声波信号到达段，并得到超声波信号等待段所用时间t0；
12.步骤四：对超声波信号到达段的数据进行数据处理和波形处理后，得到信号到达关键点p，并获取到从开始接收到超声波信号到信号到达关键点p所用时间t1；
13.步骤五：根据步骤四得到的信号到达关键点p进行修正，得到信号到达修正点q以及修正时间t2，从而得到超声波信号从发送到接收的总时间t；
14.t＝t0+t1+t2；
15.步骤六：根据步骤三到步骤五，得到燃气管道内超声波逆流所用时间t
nl
和超声波顺流所用时间t
sl
；
16.步骤七：计算燃气管道内气体顺逆流传播时间差值δt＝t
nl-t
sl
；
17.步骤八：根据顺逆流传播时间差值δt计算气体流速v和瞬时流量q
l
。
18.通过上述设计，对接收波形进行分析处理，寻找接收波形中波形峰值变化率最大的点对应时刻作为超声波真实到达接收换能器的时刻。在本发明中，对采样的数据进行波形处理和数据处理后，提高数据精度后查找到关键点，再结合关键点，对关键点就行修正，得到更为准确地修正点，从而结合最终的修正点，来确认超声波到达的时间，从而来计算气体流速和瞬时流量，计量精度高。
19.进一步的方案为：步骤一中，安装采样设备时，在测量燃气管道上沿气流方向依次设置顺流换能器和逆流换能器，所述顺流换能器和所述逆流换能器分别设置在燃气管道两侧，燃气管道内径为d，所述顺流换能器和所述逆流换能器之间直线距离为l，二者之间线路与燃气管道管壁之间的夹角为θ。
20.采用上述方案，根据管道两侧的顺流换能器和逆流换能器，任意一个换能器发出的超声波信号可以穿过管道内燃气气体后被另一个换能器接收，二者前后设置，则发生的超声波在管道内穿过气体时，形成顺流或者逆流超声波。
21.再进一步的技术方案，为了实现计算，n组超声波信号波形数据中，至少包括一组顺流超声波信号波形数据和至少一组逆流超声波信号波形数据。
22.再进一步的技术方案，步骤四的具体内容为：
23.步骤41：对超声波信号到达段数据进行插值处理，对信号采样率y进行m倍增大，即增加后，信号采样率为y*m，得到超声波预处理波形；
24.步骤42：对超声波预处理波形采用希尔伯特算法进行波形变换，得到超声波包络线；
25.步骤43：对超声波包络线对应数据进行求导得到包络线求导数据后，其中，包络线导数数据发生符号改变的位置为所述信号到达关键点p所对应的位置；
26.步骤44：根据信号到达关键点p在超声波包络线所在位置，得到从开始接收到超声波信号到信号到达关键点p所用时间t1；
27.采用上述步骤，通过对超声波信号到达段数据进行插值处理后，实现数据m倍数的增大，提高了超声波数据量，使波形更为平滑，增加了其精度。采样精度决定了包络线精度，进而决定了计量时间的分辨率，通过计算包络线求导符号变化点，即原始波形峰值的最大
变化率点，即找到超声波的真实到达点，消除了超声波传播介质和环境温度的影响。
28.再进一步的技术方案，步骤五的具体内容为：
29.步骤51：对信号到达关键点p附近的g个点进行插值处理成a个数值，得到关键点插值数据，插值后精度为
30.步骤52：从关键点插值数据中查找新的最大值点即为信号到达修正点q；
31.步骤53：根据信号到达修正点q和信号到达关键点p在包络线的相对位置，得到修正时间t2；
32.若信号到达关键点p在信号到达修正点q前，则
33.若信号到达关键点p在信号到达修正点q后，则
34.采样上述方案，在找到关键点后，即可确定最大变化率的位置是在关键点附近，通过在关键点临近位置选择g个点，再次进行插值后，提高关键点附近包络线的分辨率，通过寻找插值后的最大值点，即为最后的信号到达修正点q。通过修正点位置，对步骤四中的时间进行修正后，来进行气体流速和瞬时流量的计算。
35.步骤八中，气体流速v和瞬时流量q的计算公式为：
[0036][0037]
q＝k*π*d2*v/4；
[0038]
其中，k为流速分布修正参数；该流速分布修正参数根据气体组分、温度、压力、雷诺数以及表体形态系数相关，经查阅可获得；
[0039]
d为燃气管道内径；
[0040]
l为顺流换能器和所述逆流换能器之间直线距离；
[0041]
θ为顺流换能器到逆流换能器线路与燃气管道管壁之间的夹角。
[0042]
在已知超声波在静止的燃气气体内传播的速度c、气体流速v的前提下，可以得到：
[0043]
燃气管道内超声波逆流所用时间
[0044]
则存在：
[0045]
燃气管道内超声波顺流所用时间
[0046]
则存在：
[0047]
c为超声波在静止的燃气气体内传播的速度。
[0048]
由公式(2)-(1)得到：
[0049][0050]
从而得到上述气体流速v和瞬时流量q的计算公式，即：
[0051][0052]
q＝k*π*d2*v/4。
[0053]
本发明的有益效果是：
[0054]
在实际环境条件中，由于气体组分变化、环境温度、压力变化等引起超声波接收波形的变化，但其包络形状几乎不会变化，其特征不会随着环境条件改变而改变。基于此，本发明采用的方法基于接收波形及其包络进行分析处理，结合换能器特性和特定的算法完成计算，可以完全避免因为接收波形幅值改变等因素引起的计量误差，确保了计量的稳定性和可靠性。
附图说明
[0055]
图1为现有tdc测量波形示意图；
[0056]
图2为本发明计量步骤流程图；
[0057]
图3为换能器采样得到的波形图；
[0058]
图4为插值后波形图以及该波形图对应的包络线示意图。
具体实施方式
[0059]
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0060]
具体实施时，如图2至图4所示：
[0061]
一种基于tdc方案的改进型气体计量方法，参见图2，按照以下步骤进行：
[0062]
步骤一：采用tdc计量测试方案，在燃气管道上安装换能器；
[0063]
安装采样设备时，在测量燃气管道上沿气流方向依次设置顺流换能器和逆流换能器，所述顺流换能器和所述逆流换能器分别设置在燃气管道两侧，燃气管道内径为d，所述顺流换能器和所述逆流换能器之间直线距离为l，二者之间线路与燃气管道管壁之间的夹角为θ。
[0064]
在本实施例中，设置燃气管道所处环境为室温25℃，气压为大气压力。
[0065]
步骤二：设定换能器驱动波形频率f和信号采样率y，进行波发送和adc采样，得到n组超声波信号波形数据；n为大于等于2的整数；
[0066]
在本实施例中，n＝2；包括一组顺流超声波信号波形数据和一组逆流超声波信号波形数据，其中，超声波信号波形数据所对应的波形详见图3。
[0067]
在本实施例中，换能器驱动波形频率f为200khz；信号采样率y为4mhz；
[0068]
步骤三：根据超声波信号到达前和到达后的特征，将超声波信号波形数据分成超声波信号等待段和超声波信号到达段，并得到超声波信号等待段所用时间t0；
[0069]
步骤四：对超声波信号到达段的数据进行数据处理和波形处理后，得到信号到达关键点p，并获取到从开始接收到超声波信号到信号到达关键点p所用时间t1；
[0070]
具体内容为：
[0071]
步骤41：对超声波信号到达段数据进行插值处理，对信号采样率4mhz进行m＝10倍增大，即增加后，信号采样率为y*m＝4mhz*10＝40mhz，得到超声波预处理波形；
[0072]
此处进行插值可以较好的保持原始波形的形状，并且无需提高硬件性能就能获得较高的采样率。
[0073]
步骤42：对超声波预处理波形采用希尔伯特算法进行波形变换，得到超声波包络线；具体包络线详见图4。
[0074]
步骤43：对超声波包络线对应数据进行求导得到包络线求导数据后，其中，包络线导数数据发生符号改变的位置为所述信号到达关键点p所对应的位置；
[0075]
步骤44：根据信号到达关键点p在超声波包络线所在位置，得到从开始接收到超声波信号到信号到达关键点p所用时间t1；
[0076]
在本实施例中
[0077]
步骤五：根据步骤四得到的信号到达关键点p进行修正，得到信号到达修正点q以及修正时间t2，具体的：
[0078]
步骤51：对信号到达关键点p附近的g个点进行插值处理成a个数值，得到关键点插值数据，插值后精度为
[0079]
在本实施例中，设g＝5，则5个点有四个周期；
[0080]
在本实施例中，插值呈a＝1001个数值，则1001个数值有1000个周期。
[0081]
插值后精度等于
[0082]
步骤52：从关键点插值数据中查找新的最大值点即为信号到达修正点q；
[0083]
步骤53：根据信号到达修正点q和信号到达关键点p在包络线的相对位置，得到修正时间t2；
[0084]
若信号到达关键点p在信号到达修正点q前，则：
[0085][0086]
若信号到达关键点p在信号到达修正点q后，则：
[0087][0088]
从而得到超声波信号从发送到接收的总时间t；
[0089]
其中，t＝t0+t1+t2；
[0090]
步骤六：根据步骤三到步骤五，得到燃气管道内超声波逆流所用时间t
nl
和超声波顺流所用时间t
sl
；
[0091]
步骤七：计算燃气管道内气体顺逆流传播时间差值δt＝t
nl-t
sl
；
[0092]
步骤八：根据顺逆流传播时间差值δt计算气体流速v和瞬时流量q
l
。
[0093]
气体流速v和瞬时流量q
l
的计算公式为：
[0094][0095]ql
＝k*π*d2*v/4；
[0096]
其中，k为流速分布修正参数；该流速分布修正参数根据气体组分、温度、压力、雷诺数以及表体形态系数相关，经查阅可获得；
[0097]
d为燃气管道内径；
[0098]
l为顺流换能器和所述逆流换能器之间直线距离；
[0099]
θ为顺流换能器到逆流换能器线路与燃气管道管壁之间的夹角。
[0100]
本发明计量工作原理是：
[0101]
相对于现有tdc计量的基础上，对波形进行了数据分析、波形分析，在分析过程中，不断地提升波形精度，来确定更为准确的超声波到达时间。从而精准的计算出管道内气流的流速和瞬时流量。精确度更高，计量更准确。
[0102]
以上仅是本发明优选的实施方式，需指出的是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，作出的若干变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。