一种超声波热量表回波信号自适应放大系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热量计量设备技术领域，涉及一种在超声波热量表中根据回波信号能 量大小自适应调节放大倍数的一种超声波热量表回波信号自适应放大系统。
【背景技术】
[0002] 随着中国能源紧缺和空气污染不断加剧，为了响应国家全面协调可持续发展的号 召以及节能减排的方针，必须对我国冬季供热体制进行节能改造，采用按照分户计量代替 原本的包费制计量收费势在必行。热量表作为节能改造中热量计量中的重要组成部分，其 价格、可靠性等势必会影响着整个供热改造的进行。
[0003] 据统计，目前全国已有住宅热量表需求量约为2500万只，预计未来五年我国热量 表的需求年增长将保持在30%以上。超声波热量表具有即装即用，受压力影响较小，无机 械器件损伤，一次校对可长时间使用，成本合理，因此超声波热量表将占据热量表市场的 主要份额。
[0004] 超声波热量表主要通过超声波换能器在供热管道激发超声波，计算回波信号计算 顺逆流到达时间差，以此完成流量的计量。因此超声波回波信号的采集处理决定着热量表 计量的准确性。目前国内供热水质较差，在非供暖期长时间管道无水自然沉淀，反射片上极 易产生结垢现象，结垢会使超声波散射、强度衰减等，导致超声波回波信号衰减，使超声波 热量表在使用一至两个供暖季后，出现计量偏差加大甚至于不计量的现象。一种经济可行 的方法是采用放大电路对超声波回波信号进行放大，同时调整外部比较电压阈值以减少噪 声误触发的概率。放大电路的放大倍数对比较电压的阈值设置影响很大，关系到热量表测 量的准确性，目前多数带放大电路的热量表都采用固定放大倍数，然后根据经验设置比较 电压阈值。该方法适应性差，随着超声波热量表回波信号的变化，放大电路输出的信号幅值 也不断变化，这样在进行阈值比较触发时，系统的比较延迟也会变化，影响精度。部分热量 表采用了可控放大倍数的放大电路，通过对回波信号进行A/D采样，直接将采样到回波峰 值进行平均，以此控制放大器放大倍数。但是当热量表回波信号非常微弱，甚至湮没在噪声 信号中时，采用到的峰值已经不能够反应真实回波的能量大小，以此设置放大器放大倍数 将导致很大误差。因此能否对强噪声环境下的超声波回波信号进行有效处理，提取其真实 幅值信号，以此作为基准控制超声波放大电路放大倍数，对提高超声波热量表在复杂环境 中的适应能力具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决上述问题，在超声波热量表中采用经验模式分解方法 对的回波信号进行快速分解，提取出其中符合要求的回波分量，根据提取回波幅值大小，控 制超声波热量表放大倍数，从而实现在弱回波信号下自适应放大，增强热量表在较差水质 中的适应能力。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超声波热量表回波信号自适 应放大系统，包括依次连接的A/D模数转换模块、存储器、单片机、数字电位器、可编程增益 放大器，其特征在于：所述A/D模数转换模块将采集到的含噪声的超声波回波信号进行转 换，并将回波信号存入存储器，存储器通过并口把回波信号送入单片机；单片机将采到的回 波信号进行经验模式分解（EMD)，得到若干个分解信号（MF)，选出其中频域最接近超声波 发射信号频率的一项（如果分解后两项都接近，将其叠加）作为回波信号的真值，并计算其 峰值平均值；其余的可以作为干扰杂波信号；单片机根据波形数字运算提取法计算结果， 控制数字电位器输出对应阻值，从而调整可编程增益放大器放大倍数，维持放大后的回波 信号幅值恒定。
[0007] 所述波形数字运算提取法包括一种基于经验模式分解（EMD)的超声波回波信号 分解提取算法，用于对强噪声背景下对超声波热量表弱回波信号进行提取和处理。
[0008] 波形数字运算提取法具体步骤如下： (1) 将A/D模块采用并传入单片机中的回波信号按照时间序列为排列为人并取得 所有的局部极值点； (2) 找出信号的所有极大值点，利用三次条样函数拟合出极大值点包络线 同理，拟合极小值点包络线6计算上、下包络线的平均值：
【主权项】
1. 一种超声波热量表回波信号自适应放大系统，包括依次连接的A/D模数转换模块、 存储器、单片机、数字电位器、可编程增益放大器，其特征在于：所述A/D模数转换模块将采 集到的含噪声的超声波回波信号进行转换，并将回波信号存入存储器，存储器通过并口把 回波信号送入单片机；单片机将采到的回波信号进行经验模式分解（EMD)，得到若干个分 解信号（MF)，选出其中频域最接近超声波发射信号频率的一项(如果分解后两项都接近， 将其叠加）作为回波信号的真值，并计算其峰值平均值；其余的可以作为干扰杂波信号；单 片机根据波形数字运算提取法计算结果，控制数字电位器输出对应阻值，从而调整可编程 增益放大器放大倍数，维持放大后的回波信号幅值恒定； 所述波形数字运算提取法包括一种基于经验模式分解（EMD)的超声波回波信号分解 提取算法，用于对强噪声背景下对超声波热量表弱回波信号进行提取和处理； 波形数字运算提取法具体步骤如下： (1) 将A/D模块采用并传入单片机中的回波信号按照时间序列为排列为1"人并取得 所有的局部极值点； (2) 找出信号iTd的所有极大值点，利用三次条样函数拟合出极大值点包络线 同理，拟合极小值点包络线6计算上、下包络线的平均值：
(3) 将原始信号与包络线均值做差得到去除了低频信号的新的信号1(()，即：
判断1(()是否为一个基本的模式分量；若1(()并非一个基本模式分量，即 中仍存在非对称波，则以1(()为待处理数据，重复以上过程，直至Ak1(()为一个 基本模式分量，则原始信号的一个頂F分量记为：
(4) 从原始信号中减去第一个分量之后，所得信号为a(()，将a(()作为新的被处理信 号，重复以上步骤，直至zn(()为单调信号；原始信号余项为：
由于实际计算过程中，上下包络线的均值无法为零，因此引入停止迭代的阈值作为停 止标志：
最终iTd被分解为n个基本模式分量和一个剩余分量：
(5) 分析提取到信号的频域，选择其中最接近超声波发射激励信号的一个分量作为回 波真值信号。
【专利摘要】本发明一种超声波热量表回波信号自适应放大系统，包括依次连接的A/D模数转换模块、存储器、单片机、数字电位器、可编程增益放大器，其特征在于：所述A/D模数转换模块将采集到的含噪声的超声波回波信号进行转换，并将转换信号存入存储器，存储器通过并口把转换信号送入单片机；单片机根据波形数字运算提取法计算结果，控制数字电位器输出对应阻值，从而调整可编程增益放大器放大倍数，维持放大后的回波信号幅值恒定。
【IPC分类】G01K17-00
【公开号】CN104776941
【申请号】CN201510010633
【发明人】高松良
【申请人】济南智轩智能科技有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年1月9日