[发明专利]一种基于抛物线拟合的超声波液体流速测量方法及测量装置

说明书

本发明公开了一种基于抛物线拟合的超声波液体流速测量方法及测量装置，包括：采用“双Z”型组合布置构成2组超声波传感器；根据设置的超声波传感器阵列，两组超声波传感器同时发送和接收信号，2个超声波接收传感器收到超声波顺、逆流的信号，进行预处理；对超声波信号通过上下包络与抛物线拟合处理找到一个稳定的特征点，确定超声波信号顺、逆流传播时间，进一步计算液体流速。与现有技术相比，本发明利用抛物线在超声波信号两组峰值特征点拟合的方法找到两组超声波信号在液体顺流和逆流的渡越时间点，进行抛物线二次拟合，采用二次抛物线对下包络拟合的方法，判断超声波信号在液体中精确渡越时间，实现液体流速精确测量计算。

技术领域

本发明属于超声波液体流量测量技术领域，具体涉及一种基于抛物线拟合的超声波液体流速测量方法及测量装置。

背景技术

近年来随着电子技术的迅猛发展和对声学知识的丰厚积累，超声波技术逐渐应用到了液体流量测量领域。然而，一方面当前国内普遍采用的大管径高精度超声波液体流量计大都依赖于进口产品，价格昂贵且相关产品的精度普遍难以达到±0.1％的级别。另一方面，液体流量计测量原理一般分为传播速度差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法效果好，在液体超声波流量计中应用最为广泛。基于时差法测量原理的气体超声波流量计在测量液体流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点确定超声波信号顺、逆流传播时间，进而确定液体的流量。但是超声波信号会在液体中传播过程中发生能量衰减，回波信号存在幅值减弱，信噪比比较低等问题，而且随着液体流量的增加，这些问题尤为严重。如果仅用单个峰值点来确定特征点的方法容易产生比较大的误差，影响系统的精确度。要实现比较高的精度测量一方面需要依靠有效的电路对超声波进行滤波处理，另外一方面需要对所测的数据运用合适的算法进行计算，最后使测量达到高精度要求。

专利号为CN201210034029.2的中国专利公开了一种基于多阈值比较的超声波信号过零点预测方法，该方法主要是通过比较波形在不同阈值下的过零点个数，从而实现对信号的预测。然而，首先该方法对信号的要求较高并且需要对信号进行多次阈值比较，要求信号的稳定性和噪声干扰较小，否则会影响预测结果的准确性。其次该方法对波形的阈值的选择困难，不同的信号需要选择不同的阈值才能达到最佳预测效果，而且阈值的选择对预测结果有很大的影响，需要进行大量的实验和分析才能确定。最后该方法对预测精度有限。由于该方法是通过比较过零点个数来进行预测，因此在信号变化较快或存在复杂波形的情况下，预测精度较低。

专利号CN114812711A的中国专利公开了一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置，该方法通过驱动换能器发射超声波信号，然后对接收换能器输出信号进行采样，并进行了包络提取，得到顺流包络线和逆流包络线的，接着从中找到顺流包络线和逆流包络线的极大值和极小值点，进一步的与通过调相引起的真正极大值与真正极小值点进行对比，并定位得到一个超声波渡越时间，进而确定超声波信号的时差，但是这种方法容易使超声波信号不稳定，一方面在实际测量中，超声波信号容易受到环境因素和所测溶质种类和浓度影响会产生部分信号失真甚至滤波处理过程中丢失，如果在此情况下调整超声波信号相位，则必定引起超声波信号不稳定，使测量值误差较大。另外一方面，调试难度大，调整超声波信号需要专业人士进行操作和调试，如果操作不当会导致流量计损坏导致无法使用。

专利号为CN201510980275.0的中国专利公开了一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法和系统，该方法通过一个模拟脉冲信号先后经过采样和量化使其成为一组数字信号序列，并以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，并于直线进行拟合，得到拟合直线斜率，最后拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。由于直线拟合方法对超声波前沿的形状有一定要求，如前沿需要具有一定的线性关系，使其较快达到峰值等，否则会影响拟合直线的精度和前沿位置的检测精度。