[发明专利]基于第一包络重合度的气体超声流量计渡越时间计算方法

说明书

本发明公开了一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法。本发明通过对接收波形和多种渡越时间计算方法的分析与验证，提出一种新的渡越时间计算方法。该方法截取静态情况下接收波形中第一包络轮廓最稳定的一段波形作为参考波形，确定最佳缩放比，与流体流动情况下的接收波形作重合度计算，从而获得渡越时间，并计算流量。通过实验对比验证，相比于传统的互相关算法，基于重合度的渡越时间计算方法有效提高了中、高流速下渡越时间测量的准确性，提高了气体超声波流量计的测量精度，扩大了仪表的量程比。

技术领域

本发明属于气体超声波流量检测技术领域，特别涉及一种基于接收波形第一包络上升沿重合度的渡越时间计算方法。

背景技术

随着我国清洁能源天然气使用的飞速增长，天然气管网也在不断扩建，天然气流量计量在天然气输送和贸易计量中发挥越来越重要的作用。相比于其他流量仪表，超声波流量计具有非接触式测量、量程比大、可用于大管径测量、无压损、可测双向流和可管道清洗等优点，引起了人们极大的关注。国外对超声波流量计技术的研究起步较早，经过长期的研究和实践，积累了丰富的理论与经验。国内也有许多科研单位在进行气体超声波流量计的研究，并取得了诸多的成果。但由于起步较晚，国产气体超声波流量计无论在整体性能还是市场占有率上都与国外产品有较大的差距。

气体超声波流量计根据检测原理的不同可分为时差法、相位差法、频差法、相关法和多普勒法等。其中时差法是目前市场上气体流量计中最常用的方法，其原理是利用超声波在流动气体中顺、逆流渡越时间的差计算出气体流速，进而得到气体流量。因此渡越时间测量的准确性成为决定气体流量计测量精度的关键。超声波在气体中传播时容易受到流场变化的干扰，导致接收波形发生畸变，特别是在中、高流速下，接收波形的幅值和形态都会发生严重的畸变，从而给渡越时间的准确测量带来较大的困扰。

目前，气体超声波流量计的渡越时间测量方法主要有三种：阈值检测法，互相关法以及曲线拟合法。阈值法原理简单，通过设置阈值电压得到接收波形特征点，进而得到渡越时间，常用于实时性要求比较高的场合。但是由于气体中超声波能量的衰减、流量的波动以及环境的变化，使得接收到的超声波信号幅值变化很大，经常导致特征点的定位错误，给计算结果带来较大误差。曲线拟合方法是基于超声脉冲接收信号模型，利用智能算法对接收信号进行估计。常用的模型是高斯模型和指数模型，该方法可以工作在强噪声环境下，但是计算方法过于复杂，实际波形与模型也会有偏离，且不适用于非连续激励模式。互相关法是将气体流动时得到的接收波形与静态下的接收波形做互相关运算，互相关函数最大值对应的时间即为两波形的时间差，从而得到渡越时间。互相关算法对于接收波形幅值的衰减不敏感，抗干扰能力较强。但是互相关算法要求接收波形的形态具有稳定性。当超声波受到流场与噪声的干扰时，互相关函数的最大值与次大值容易发生错位。有研究人员利用反相激励以及互相关优化方法提升渡越时间的计算精度，取得了较好的效果，但反相激励模式也导致接收信号形态变得更加复杂。当管道中气体高速流动时，受到流场的影响，接收波形更加容易发生畸变，从而导致渡越时间计算结果发生偏差。

发明内容

本发明针对气体超声波流量计反相激励模式下传统互相关算法存在的不足，利用接收波形第一包络上升沿在不同流速下具有较好的稳定性，提出一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，旨在克服在反相激励模式下互相关算法在中、高流速下渡越时间测量精度不高的问题，提高渡越时间测量的准确度，提高流量计的测量精度，扩大流量计的量程比。

本发明的技术实施方案如下：

一种基于第一包络重合度的气体超声波流量计渡越时间计算方法，该方法包括以下步骤：

1)针对全量程范围，通过设置流速间隔，选择覆盖全流态和流速段的N_v个流速点作为建模的流速点；

2)在管道静态条件下，每个流速点采集若干数量相等的顺、逆流超声波接收信号并取平均，然后采用FIR滤波器滤除低频和高频的杂波干扰信号，滤波后的波形作为平均静态波形；