[发明专利]一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法

说明书

本发明公开了一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法。在进行流量测量时，由于低功耗嵌入式系统的数字模拟转换器(ADC)采集回波信号的采样频率不够高导致采集到的回波信号的时间分辨率有限，进而导致计算互相关函数后得到的飞行时间差分辨率过低，使得气体超声波流量计的测量精度不高。本发明提出了一种用于飞行时间差计算的互相关插值方法。该发明对计算得到的互相关函数进行插值处理，可以极大地提高互相关函数的时间分辨率。本发明有效地解决了基于互相关法计算飞行时间差的低功耗超声流量计采样频率不够高的问题，提高了飞行时间差的测量精度和分辨力。

技术领域

本发明涉及流量测量领域，尤其涉及一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的方法。

背景技术

随着电子技术和微处理器技术的快速发展，超声波测量在过去的十年中取得了显着的进步，尤其是碳氢化合物的测量。超声流量计作为一种非接触式流量计，与传统的计量设备相比具有许多优点：不同管径的兼容性，无流阻，无压力损失，测量精度高，功耗低等。

超声气体流量计通常安装在沙漠等野外，必须具有良好的抗干扰能力。它通常有一个独立的电源，如电池。因此，低功耗设计对于工业应用中的气体流量计至关重要。

飞行时间差法是超声波气体流量计中常用的直接测量方法，其原理是通过测量超声波在一定距离内的传播时间来计算上游和下游之间的飞行时间差。超声波的传播速度会叠加一个流体流速在超声波传播方向的分量，顺逆流超声波之间存在一个速度差，导致它们的转播时间存在差异。通过互相关算法可以计算出超声波在流体中传播的顺流和逆流飞行时间差，即可进一步计算得到流体的流速信息。因此，精确测量飞行时间差尤为重要。

目前，常用的飞行时间差测量方法主要有两种：阈值检测法和互相关法。由于超声波在气体中传播时衰减比较严重，因此接收到的超声波信号非常微弱，信噪比低，并且会受温度、压力等环境因素影响产生幅值波动和波形畸变，这些干扰会对阈值检测法会带来比较大的误差。在互相关法中，首先，顺流和逆流回波信号由高速ADC采样。然后计算两个回波信号的互相关函数。飞行时间差取决于与互相关函数的最大值对应的横坐标。与阈值检测法相比，互相关法仅与顺逆流回波信号的相关性有关，不易受噪声干扰，在复杂环境中具有更高的精度与稳定性。

发明内容

本发明针对现有超声流量计的不足以及实际应用的需要，提出一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，意在用一种有效的方法提高互相关法计算飞行时间差的分辨力和测量精度。

本发明一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法，该方法的包括以下步骤：

S1，在管道中有气体流动时，用超声波流量计分别采集顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号；

S2，对采集到的顺流超声波回波信号和逆流超声波回波信号进行互相关计算；

S3，将计算得到的离散互相关函数的峰值附近进行插值处理；

进一步地，步骤S1所述的超声波回波信号采集中仅使用集成在低功耗单片机内部的数字模拟转换器。

进一步地，飞行时间差的确定方法具体为：

x(k)是逆流超声波回波信号的第k个采样点，y(k+τ)是顺流超声波回波信号的第k个采样点；R_xy(τ)是互相关函数计算结果；τ是互相关函数计算结果中幅值最大点对应的横坐标。

进一步地，步骤S3所述的离散互相关函数的峰值附近的插值处理，具体为：取在步骤S2计算得到的离散互相关函数的幅值最大值点以及该最大值点的前后各一点，在这3点之间进行插值。

进一步地，步骤S3所述的插值处理，具体为三次样条插值。