压差校验时差法超声波燃气表智能传感检测系统及方法与流程

本发明涉及超声波燃气计量，更具体地说，本发明涉及压差校验时差法超声波燃气表智能传感检测系统及方法。

背景技术：

1、时差法超声波燃气表通过测量超声波沿燃气顺流方向和逆流方向的传播时间，并依据双向传播时间差计算燃气流速及体积流量，具有压损较小、量程范围较宽和无机械运动部件等特点。

2、然而，在实际测量过程中，超声回波容易受到燃气组分变化、温度与压力波动、流场扰动、换能器残余振铃、接收增益变化及环境噪声等因素影响，导致回波幅值、包络形态和过零位置发生变化；现有检测方式通常采用固定门控阈值、首个越限点、单一相关峰或单个过零位置确定传播时间，当目标回波较弱、相邻周期波形相似或信号发生畸变时，容易将相邻激励周期内的波形位置误判为目标传播位置，造成传播时间出现完整周期偏移，进而产生较大的流量计量误差；虽然可利用声速范围、流量连续性或静态压差对测量结果进行校验，但真实燃气流量可能发生阶跃变化，且差压信号存在零点漂移、响应延迟和动态滞后，单周期静态比较难以准确区分真实流量变化与传播周期误选；

3、同时，现有技术缺少将连续测量周期内的多个传播时间候选与压差动态响应、候选声速、回波波形质量及路径变化特征进行联合判断的机制，难以在复杂工况下稳定识别正确的顺流、逆流传播时间，因此仍存在误触发率较高、错周期校正可靠性不足以及瞬态流量计量稳定性较差的问题。

4、为此，推出压差校验时差法超声波燃气表智能传感检测系统及方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供压差校验时差法超声波燃气表智能传感检测系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、压差校验时差法超声波燃气表智能传感检测系统，包括如下模块：

4、双向激励同步采集模块，用于获取顺流回波、逆流回波、燃气温度和绝对压力并完成时间对齐；

5、传播时间候选生成模块，用于依据前置噪声配置动态门控阈值，从双向回波中提取多个同极性过零位置，形成顺流、逆流传播时间候选集合；

6、候选参数计算模块，用于组合双向传播时间候选，生成候选节点并计算候选流量和候选声速；

7、压差动态传递指纹模块，用于存储由标准流量时序与同步压差时序辨识得到的差压零点函数、响应延迟、脉冲响应系数及模型残差尺度；

8、候选路径解码模块，用于连接连续测量周期的候选节点，生成各候选路径对应的预测压差序列，并依据动态压差残差、声速残差、波形残差和路径转移代价确定目标候选路径；

9、周期校正模块，用于根据目标候选路径的双向传播时间候选与初始触发位置之间的周期差，确定双向周期校正整数，输出校正顺流传播时间和校正逆流传播时间。

10、具体的，在第k个测量周期内，控制第一超声换能器发射且第二超声换能器接收，获得顺流离散回波，再控制第二超声换能器发射且第一超声换能器接收，获得逆流离散回波；

11、顺流激励和逆流激励采用同一计时基准，第k个测量周期内第n个回波采样点对应的采样时刻为：

12、；其中为第k周期激励起始时刻，n为回波采样点序号，表示模数转换采样周期；

13、设置换向保护时间只有超过保护时间后的回波样本进入传播时间候选生成模块。

14、具体的，每次激励后，在预计最早有效回波到达之前预设前置噪声窗口，窗口内n个采样值记为，噪声中心值采用中位值：；

15、噪声离散尺度采用中位绝对偏差：；

16、则动态门控阈值为：；其中为预设的门控倍数；回波包络需要连续越过达到个采样点，才进入候选区间；

17、在连续满足门控条件的回波区间内提取多个过零位置，形成顺流传播时间候选集合和逆流传播时间候选集合；

18、在候选回波区间内搜索多个相同极性的过零位置；对第r个过零位置两侧的个采样点执行局部线性拟合；和为拟合斜率和截距；

19、过零时刻由拟合直线与零幅值轴的交点获得；将所有满足斜率方向、拟合残差、幅值连续性和周期间隔条件的过零位置保存为stop候选，分别形成顺流候选集合和逆流候选集合。

20、具体的，对第k周期的第i个顺流候选与第j个逆流候选两两组合；

21、根据双向时差法联立计算候选平均流速和候选有效声速；

22、；

23、；

24、先计算未校准候选流量；s为测量段有效过流截面积；再根据该流量所在标定区间插值得到，形成候选工作状态体积流量；

25、；当前候选流量对应的校准系数。

26、具体的，在无流量条件下设置多个温度点，等待表体和气体温度稳定后采集原始压力差，计算各温度点的稳健中心值，形成差压零点函数；

27、在标准流量装置上施加稳态流量、上升阶跃、下降阶跃、斜坡和短脉冲流量序列，同步采集参考流量、原始压力差、绝对压力和温度；

28、根据燃气绝对压力、热力学温度、压缩因子和摩尔质量计算燃气密度；

29、；为工作状态燃气绝对压力，为燃气等效摩尔质量；为预设的工作状态压缩因子，根据燃气类别、温度和压力查表进行配置；为通用气体常数，为在第k次超声测量周期内，由温度传感器采集得到的燃气实际热力学温度；

30、再将参考流量转换为压力驱动量；

31、通过压力驱动量变化序列与校正压力差变化序列的互相关确定离散响应延迟的初值；对每个候选延迟求解有限脉冲响应系数和残余常数项，选择验证残差较小的参数组；

32、其中校正压力差；其中为原始压力差；为当前温度对应的差压零点修正量；

33、；

34、运行时的预测压力差；其中m为设定的动态激励阶数；根据压力响应衰减至噪声范围所需周期数确定；

35、；为预设的脉冲响应平滑约束系数；通过留出数据的预测残差和参数振荡程度确定；

36、与同时求解，用于吸收剩余固定偏差；

37、；

38、其中为第k个标定样本的预测参数，通过计算得到；

39、共同构成压差动态传递指纹。

40、具体的，第k周期的每个候选组合构成候选节点；

41、延迟确认窗口包含w个测量周期；每条候选路径p由窗口内每个周期的一个候选节点依次组成；

42、每连接一个新节点，计算周期位置变化代价、候选流量变化约束代价和声速变化代价；

43、周期位置变化代价；

44、和为候选节点的顺流和逆流周期位置；

45、候选流量变化约束代价；

46、其中为仪表允许的最大流量二阶变化尺度；为第k周期的候选工作状态体积流量；

47、为上一周期的候选工作状态体积流量；为前两周期的候选工作状态体积流量；表示流量归一化尺度，取量化上限；为上一周期与第k周期之间的时间间隔；

48、声速变化代价；

49、为预设的温压对弈话声速的温度离散尺度，由标定数据统计设定；

50、为第k周期的当前声速，为上一周期的声速；

51、为防止分母为0的极小常数；

52、累计连接代价；

53、、、为预设的转移代价内部权重，且和为一。

54、具体的，对所有候选路径按照累计连接代价进行升序排列后，从左开始保留前b条候选路径；

55、对候选路径p中第m周期的候选流量计算密度和压力驱动量；

56、将压力驱动量结合有限脉冲响应系数和离散响应延迟，生成预测压力差；同理预测压力差的计算公式获取；

57、对延迟确认窗口内的实测校正压力差与候选预测压力差计算加权均方残差；

58、其中为第m周期压力残差时间权重。

59、具体的，将路径中各候选声速按温度和压力归一化，与参考声速序列比较，得到路径声速残差；

60、；为第m周期温压归一化参考声速；

61、为正常运行状态下，预测声速与实际声速之间的统计波动范围；由标定数据设定；

62、根据候选回波与参考模板的相关系数、相关主峰与最大旁瓣比、饱和标志和拟合残差形成波形残差；

63、；

64、其中、以及为预设的波形残差内部权重；

65、为候选回波与参考模板的归一化相关系数，即对幅值归一化后的波形计算确定；

66、为相关主峰与最大旁瓣之比，由相关序列主峰幅值除以最大旁瓣幅值获得；

67、为回波饱和指示量，饱和时取1，否则取0；

68、为拟合残差；

69、调用新增连接代价，按照非负权重累加为累计一致性代价；

70、；

71、其中、、以及为预设的路径类别证据权重，且和为一；

72、选择累计一致性代价最小的路径作为目标路径p*。

73、具体的，设初始门控触发得到的顺流时间和逆流时间分别为和，目标路径在第k 周期确认的候选分别为和；

74、计算目标候选相对于初始触发位置跨越的完整激励周期数，得到顺流周期校正整数和逆流周期校正整数；

75、；；

76、表示超声激励信号的单个完整周期时长；

77、局部过零拟合提供周期内部的亚采样修正量；

78、为第k个测量周期顺流方向的周期内时间偏移量；为第k个测量周期逆流方向的周期内时间偏移量。

79、校正后的顺流传播时间；校正后的逆流传播时间。

80、本发明的技术效果和优点：

81、本发明依据回波到达前的噪声数据动态配置门控阈值，并在有效回波区间内保留多个同极性过零候选，避免仅凭固定门限或单个触发位置确定传播时间，能够降低噪声波动、接收增益变化和弱回波畸变造成的误触发，为后续识别正确回波周期提供更完整的候选数据；

82、本发明利用标准流量时序与同步压差时序建立包含差压零点、响应延迟和脉冲响应系数的压差动态传递指纹，再综合动态压差残差、声速残差、波形残差和路径转移代价确定目标候选路径，并据此执行整数周期及周期内时间校正，可减少瞬态流量条件下的错周期现象，提高燃气流量检测的准确性、连续性和运行稳定性。