一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法与流程

1.本发明涉及到气体流量监测技术领域，尤其涉及一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法。


背景技术：

2.超声波流量计是一种利用超声波在流体中传播时受流体流速影响而进行流速测量的仪表。当超声波沿顺流方向传播时，其传播速度相当于流体静止时的声速和流体流速的叠加，其沿传播方向的声速将大于流体静止时的声速，且其值与流体流速相关；当超声波沿逆流方向传播时情况相反。因此只要测量出超声波声速的变化值，就能够推算得出流体的流速，进而得到流量。
3.设流体流速为v，管道直径为d，两换能器a、b的直线距离为l，换能器与管道法线的夹角为θ，超声波在静止的流体中的速度为c。一束超声脉冲经流体传播，其声程l＝d/cosθ。当超声波顺流时，其速度为c vsinθ，从而有顺流的传播时间t
ab
＝l/(c vsinθ)；逆流的传播时间t
ba
＝l/(c-vsinθ)，流体流速v＝d(1/t
ab-1/t
ba
)/sin2θ。可见，只要分别测出顺流，逆流的传播时间t
ab
和t
ba
即可得到流体的流速，进而得到流量。
4.对于相对安装在测量管两侧的换能器来说，其距离是固定的，因此只要精确获取超声波在它们之间传输的时间，就能获得其传播速度。为了确定传播的时间间隔，需要在接收的波形中选择固定的时刻点作为时间测量的停止时刻。在实践中均选择回波信号中第一个具有较强幅度的波，即信号幅度达到捕获阈值后的过零点时刻作为时间测量的停止时刻，过零点产生一系列的停止信号。在固定气体压强下，回波信号捕获阈值电平通常设定为某一固定电平值，由于下列原因这种方法存在诸多缺点：
5.换能器的影响：在实际运用中超声波流量计一般都有多对收发声道，以保证对管道横截面均匀对称的覆盖。例如dn50、dn80有2对声道，dn100、dn150、dn200有4对声道。由于换能器个体的差异，各声道在相同环境下接收到的回波信号幅度并不一致。
6.流体流速的影响：在逆流的情况下，流速越大回波信号幅度衰减越大。
7.气体压强的影响：气体压强越大，接收到的回波信号越强。由于气体压强与接收到的信号幅度近似成线性关系，相应的阈值电平与压强也成线性关系。
8.由于换能器及流体流速的原因，为保证捕获到稳定的回波信号必然会以各种情况下的最小回波幅度确定捕获阈值上限，以各种情况下最大的噪声幅度确定捕获阈值下限。由该方法确定的捕获阈值范围可能为空，此时可通过缩减流量计量程以降低最大流速来提高捕获阈值上限，或通过反复匹配并选择回波信号幅度一致的换能器来扩展阈值范围；该方法也致使大幅度回波的声道的捕获阈值接近其噪声水平，从而造成流量计的重复性及精度降低。
9.公开号为cn 108917864a，公开日为2018年11月30日的中国专利文献公开了一种分时测量的四声道超声波气体流量计，其特征在于，包括四对超声波换能器，其中第一超声波换能器和第二超声波换能器为一组，即声道一；第三超声波换能器和第四超声波换能器
为一组，即声道二；第五超声波换能器和第六超声波换能器为一组，即声道三；第七超声波换能器和第八超声波换能器为一组，即声道四，四对超声波换能器分别连接到模拟开关，由mcu控制模拟开关选择换能器工作状态，当其处于发送状态时，由mcu控制超声波驱动信号电路产生并发送超声波信号；当处于接收状态时，接收信号经过超声波调理电路输出后，进行阈值比较，产生方波信号，mcu捕获所得方波信号，所述mcu还连接有铁电存储电路，复位电路，红外遥控电路，液晶显示，rs485通信，温度补偿模块，压力补偿模块。
10.该专利文献公开的分时测量的四声道超声波气体流量计，能够实现超声波气体的宽量程测量，并且可以测到很低的流量。但是，由于采用4对超声波换能器，各声道在相同环境下接收到的信号幅度一致性较差，致使流量计的重复性及精度较低。


技术实现要素：

11.本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，本发明能够自动确定各信道的最优阈值电平，从而提高流量计的量程比、重复性与精度。
12.本发明通过下述技术方案实现：
13.一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
15.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
16.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
17.所述步骤a中，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体包括：
18.s1、预设某一单向信道采用的捕获阈值，获取该捕获阈值下测得的信号传播时间t0；
19.s2、向上搜索捕获阈值的上限；
20.s3、向下搜索捕获阈值的下限；
21.s4、确定该单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
22.所述s2中，向上搜索捕获阈值的上限具体是指每轮操作前捕获阈值自增1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t1，比较t0与t1的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值上限值为当前阈值-1，并结束上限搜索。
23.所述向下搜索捕获阈值的下限前，重新初始化s1中的捕获阈值。
24.所述s3中，向下搜索捕获阈值的下限具体是指每轮操作前捕获阈值自减1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t2，比较t0与t2的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值下限值为当前阈值 1，并结束下限
搜索。
25.所述步骤b中，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体是指分开设置s1中的捕获阈值，确定单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
26.本发明的基本原理如下：
27.各单向信道在各种情况下输出的信号幅度相差很大，采用统一固定的信号捕获阈值就必然会有短板效应，本发明根据影响因素分别确定各单向信道、各流量下的捕获阈值范围并选择最佳捕获阈值。
28.在某一特定工作环境下，每一单向信道输出的信号幅度和噪声电平都是固定的，若捕获阈值靠近其上下限边界，在噪声影响下可能并不总是捕获到第一个具有较强幅度的波，因此捕获阈值范围中点具有数学意义上最强抗干扰能力，称之为最佳捕获阈值。
29.本发明的有益效果是：
30.本发明，“a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值”，通过在测试环境下获取各单向信道在零流量、最大流量下的捕获阈值范围，并保存最佳捕获阈值；在正常使用环境下，根据上一时间段测得的流量和最佳捕获阈值计算下一单向信道应使用的捕获阈值，较现有技术而言，能够自动确定各信道的最优阈值电平，从而提高流量计的量程比、重复性与精度。
附图说明
31.下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
32.图1为本发明的应用流程框图；
33.图2为本发明获取最佳捕获阈值的流程框图。
具体实施方式
34.实施例1
35.参见图1和图2，一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，包括以下步骤：
36.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
37.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
38.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
39.实施例2
40.参见图1和图2，一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，包括以下步骤：
41.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保
存；
42.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
43.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
44.所述步骤a中，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体包括：
45.s1、预设某一单向信道采用的捕获阈值，获取该捕获阈值下测得的信号传播时间t0；
46.s2、向上搜索捕获阈值的上限；
47.s3、向下搜索捕获阈值的下限；
48.s4、确定该单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
49.实施例3
50.参见图1和图2，一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，包括以下步骤：
51.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
52.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
53.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
54.所述步骤a中，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体包括：
55.s1、预设某一单向信道采用的捕获阈值，获取该捕获阈值下测得的信号传播时间t0；
56.s2、向上搜索捕获阈值的上限；
57.s3、向下搜索捕获阈值的下限；
58.s4、确定该单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
59.所述s2中，向上搜索捕获阈值的上限具体是指每轮操作前捕获阈值自增1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t1，比较t0与t1的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值上限值为当前阈值-1，并结束上限搜索。
60.实施例4
61.参见图1和图2，一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，包括以下步骤：
62.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
63.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
64.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流
量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
65.所述步骤a中，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体包括：
66.s1、预设某一单向信道采用的捕获阈值，获取该捕获阈值下测得的信号传播时间t0；
67.s2、向上搜索捕获阈值的上限；
68.s3、向下搜索捕获阈值的下限；
69.s4、确定该单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
70.所述s2中，向上搜索捕获阈值的上限具体是指每轮操作前捕获阈值自增1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t1，比较t0与t1的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值上限值为当前阈值-1，并结束上限搜索。
71.所述向下搜索捕获阈值的下限前，重新初始化s1中的捕获阈值。
72.所述s3中，向下搜索捕获阈值的下限具体是指每轮操作前捕获阈值自减1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t2，比较t0与t2的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值下限值为当前阈值 1，并结束下限搜索。
73.实施例5
74.参见图1和图2，一种物联网气体超声波流量计信号捕获阈值自调整方法，包括以下步骤：
75.a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
76.b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；
77.c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值。
78.所述步骤a中，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体包括：
79.s1、预设某一单向信道采用的捕获阈值，获取该捕获阈值下测得的信号传播时间t0；
80.s2、向上搜索捕获阈值的上限；
81.s3、向下搜索捕获阈值的下限；
82.s4、确定该单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
83.所述s2中，向上搜索捕获阈值的上限具体是指每轮操作前捕获阈值自增1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t1，比较t0与t1的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值上限值为当前阈值-1，并结束上限搜索。
84.所述向下搜索捕获阈值的下限前，重新初始化s1中的捕获阈值。
85.所述s3中，向下搜索捕获阈值的下限具体是指每轮操作前捕获阈值自减1，获取当前捕获阈值下测得的信号传播时间t2，比较t0与t2的时间差，若时间差小于半个超声波信号周期，则判定为捕获到同一个比较波，跳转并继续下一轮搜索；若时间差大于半个超声波信号周期，则判定为捕获到不同的比较波，确定捕获阈值下限值为当前阈值 1，并结束下限搜索。
86.所述步骤b中，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值具体是指分开设置s1中的捕获阈值，确定单向信道最佳捕获阈值上限和下限的平均值。
[0087]“a、设置流量计处于测试模式，在零流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；b、设置流量计处于测试模式，在最大流量下测试所有单向信道的最佳捕获阈值并保存；c、在正常工作模式下，在发送激励信号前，采用零流量下的最佳捕获阈值、最大流量下的最佳捕获阈值、当前实测流量及实测气压，设置下一单向信道的捕获阈值”，通过在测试环境下获取各单向信道在零流量、最大流量下的捕获阈值范围，并保存最佳捕获阈值；在正常使用环境下，根据上一时间段测得的流量和最佳捕获阈值计算下一单向信道应使用的捕获阈值，较现有技术而言，能够自动确定各信道的最优阈值电平，从而提高流量计的量程比、重复性与精度。