一种应用于超声水表的信号诊断装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种超声信号诊断领域，尤其涉及一种应用于超声水表的信号诊断装置及其控制方法。


背景技术：

2.水务流量计量应用中，超声水表作为新兴的智能流量仪表常被用来替换机械式水表，其工作原理为时差法，通过检测超声波在水中顺流和逆流传播时产生的时间差，分析计算出流速从而进一步计算出水的瞬时流量及累积流量。与机械式水表相比较具有准确度高、始动流量低、无压损、量程比宽、使用寿命长、无可动部件等特点。
3.在实现时差法测量流量的具体问题上，常规的解决方案是采用阈值比较法，即通过固定的电压作为阈值，检测接收超声波信号的是否到来，如果检测到相应幅值的信号，则切换为过零比较，进行精确时间的转换计算。
4.为实现此种测量方法，常用的传感器结构为直射式。当管道内有介质流动时，上游端超声波换能器发射超声信号，通过介质沿顺流方向传播，下游端换能器接收到信号传播时间记为t

，反之下游端发射的超声信号，逆流传播至上游换能器的时间记为t-，上下游传播时间差记为
△
t，如果测量出这一差值，即可根据下面的关系式计算出管内流体的平均速度v：
△
t＝(t-‑
t

)式中：m为声波在两探头间流体中直线传播次数，上述情况m＝1；d为管道内径；θ为声束与流体流动方向夹角。
5.传统的超声波阈值电平法将第一个超过阈值的波峰作为首波，测量首波后某一特定过零点的时间作为信号的传播时间，因此其抗干扰能力比较差，当信号幅值变化较大或处于临界值时，会导致首波识别错误，使得测量的过零点不同，造成测得的
△
t偏差1个或多个信号周期时间，严重影响测量的准确性，这就是“错波”问题。
6.错波问题对测量准确度影响很大，研究者们提出了诸如高速ad采样互相关、包络线分析等方法来避免错波，但是这些方法多需要高速ad转换或较多额外的硬件电路来支撑，功耗较高不适用于超声水表应用。例如，一种在中国专利文献上公开的“一种气体超声波流量计的防错波信号处理电路”，其公告号cn109612541b，包括超声波接收换能器，用于接收超声波信号；可控增益放大电路与超声波接收换能器相连接；模数转换电路，与可控增益放大电路相连接；双阈值检测电路，与可控增益放大电路相连接；峰值保持电路，与可控增益放大电路相连接；程控多阈值比较电路，与峰值保持电路相连接；选波电路，分别与双阈值检测电路和程控多阈值比较电路相连接；计时电路，与选波电路相连接。该方案采用较
多额外的硬件电路，功耗高，不适用于超声水表的应用。


技术实现要素：

7.本发明主要解决现有技术采用较多额外的硬件电路，功耗高，不适用于超声水表应用的问题；提供一种应用于超声水表的信号诊断装置及其控制方法，通过控制超声波接收信号的检出路径、增益控制以及时间信号处理，解决错波问题。
8.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种应用于超声水表的信号诊断装置，包括：上游换能器，发射上游超声信号或接收辅助换能器反射的下游超声信号；下游换能器，发射下游超声信号或接收辅助换能器反射的上游超声信号；辅助换能器，反射上游换能器或下游换能器发送的超声信号；信号处理电路，控制上游换能器和下游换能器发射或接收超声信号，分别获取辅助换能器以及上/下游换能器接收超声信号的时间，诊断接收超声信号是否存在错波并纠正。
9.本方案在超声波传输路径上添加辅助换能器，信号经过反射在上下游换能器之间传输，在一次测量中获得两段传输时间，利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
10.本方案通过增加的一只辅助换能器，硬件简单；利用机械结构固定和均匀介质中声波传输稳定的特点，能够诊断接收信号是否存在错波并纠正。超声水表的电池电量主要消耗在信号发射和时间测量上，本方案的系统不增加多余的信号发射次数，与普通系统电量消耗相近。由于水表口径普遍小于dn300，因此v法结构在信号强度得到满足的同时还拥有近似双声道的测量效果。当上下游换能器中的一个出现信号故障时，可能会失去信号发射和接收能力，可根据辅助换能器的接收信号判断是哪一只换能器出现了发射接收问题。
11.作为优选，所述的信号处理电路包括：主控模块，配置时间数字转换模块的时间接收窗口，控制多路模拟开关切换通道，断接收超声信号是否存在错波并纠正；多路模拟开关，切换上游换能器、下游换能器和辅助换能器与信号地、超声信号发射模块和信号放大滤波模块之间的通道；时间数字转换模块，设置信号触发电平阈值以及接收信号的时间；信号放大滤波模块，将辅助换能器或上/下游换能器接收到的超声信号放大滤波；超声信号发射模块，通过多路模拟开关与上游换能器或下游换能器导通，发射超声信号；信号幅值采样模块，采集超声信号放大滤波后的信号幅值，发到主控模块。
12.本方案通过多路模拟开关切换各换能器与其他模块的连接，实现超声信号的发射与接收，分别记录顺流传输的两段时间和逆流传输的两段时间；利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，可以诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
13.作为优选，所述的上游换能器和下游换能器设置在水表管内同一侧，辅助换能器设置在上游换能器和下游换能器的中垂线与水表管内另一侧的交点处。
14.由于水表口径普遍小于dn300，因此v法结构在信号强度得到满足的同时还拥有近似双声道的测量效果。
15.一种应用于超声水表的信号诊断装置的控制方法，包括以下步骤：s1：校准顺流传输或逆流传输过程中的两段传输距离比值k，计算单位错波的偏离百分比k；s2：顺流传输时间测量，通过信号处理电路依次记录上游换能器到辅助换能器以及辅助换能器到下游换能器的超声传输时间；s3：逆流传输时间测量，通过信号处理电路依次记录下游换能器到辅助换能器以及辅助换能器到上游换能器的超声传输时间；s4：根据顺流传输时间测量和逆流传输时间测量获得的超声传输时间，与传输距离比值k计算偏差，偏差与错波的偏离百分比k比较判断是否存在错波现象，并调整触发电平阈值。
16.在超声波传输路径上添加辅助换能器，信号经过反射在上下游换能器之间传输，在一次测量中可以获得两段传输时间，利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，可以诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
17.作为优选，所述的步骤s1具体包括以下过程：s101：在满管条件下进行校准，无错波情况下计算获得的两端传输距离比值k为：其中，t
a1
为上游换能器到辅助换能器的超声第一顺流传输时间；t
a2
为辅助换能器到下游换能器的超声第二顺流传输时间；t
b1
为辅助换能器到上游换能器的超声第一逆流传输时间；t
b2
为下游换能器到辅助换能器的超声第二逆流传输时间；s102：按水管口径计算当前水表错一个波的偏离百分比k；s102：按水管口径计算当前水表错一个波的偏离百分比k；其中，t为传输一个波的时长；d为水管直径；c为水中的声速；θ为上游换能器到辅助换能器之间的超声路径与水管管壁之间的夹角；s103：多路模拟开关将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地。
18.计算上述数据，作为标准数据用于之后判断是否存在错波。
19.作为优选，所述的步骤s2具体包括以下过程：s201：多路模拟开关将上游换能器所在通道与超声信号发射模块连接，主控模块配置时间数字转换模块的时间接收窗口为辅助换能器接收信号的时间，并设置触发电平阈值为电平u
a1
；
s202：发射超声信号并启动本次计时；多路模拟开关将辅助换能器所在通道切换到信号放大滤波模块；s203：辅助换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第一顺流传输时间t
a1
；同时信号幅值采样模块获得第一顺流信号强度q
a1
；s204：多路模拟开关将辅助换能器通道开关切换到信号地，下游换能器通道切换到信号放大滤波模块；时间数字转换模块配置时间接收窗口为下游换能器接收信号的时间，触发电平阈值为电平u
a2
；s205：下游换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第二顺流传输时间t
a2
；同时信号幅值采样模块获得第二顺流信号强度q
a2
；s206：将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地，完成顺流传输时间测量。
20.通过多路模拟开关，依次将换能器导通不同的模块，用于发射、接收信号，从而获得顺流传输的两段路径的时间，用于计算是否错波。
21.作为优选，所述的步骤s3具体包括以下过程：s301：多路模拟开关将下游换能器所在通道与超声信号发射模块连接，主控模块配置时间数字转换模块的时间接收窗口为辅助换能器接收信号的时间，并设置触发电平阈值为电平u
b1
；s302：发射超声信号并启动本次计时；多路模拟开关将辅助换能器所在通道切换到信号放大滤波模块；s303：辅助换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第一逆流传输时间t
b1
；同时信号幅值采样模块获得第一逆流信号强度q
b1
；s304：多路模拟开关将辅助换能器通道开关切换到信号地，上游换能器通道切换到信号放大滤波模块；时间数字转换模块配置时间接收窗口为上游换能器接收信号的时间，触发电平阈值为电平u
b2
；s305：上游换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第二逆流传输时间t
b2
；同时信号幅值采样模块获得第二逆流信号强度q
b2
；s306：将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地，完成逆流传输时间测量。
22.通过多路模拟开关，依次将换能器导通不同的模块，用于发射、接收信号，从而获得逆流传输的两段路径的时间，用于计算是否错波。
23.作为优选，所述的步骤s4具体包括以下过程：s401：计算顺流传输的偏差k1；s402：比较偏差k1与单位错波的偏离百分比k，确定顺流传输的错波个数，依次调整电平u
a2
和电平u
a1
；s403：令u
b2
＝u
a2
，计算逆流传输的偏差k2；
s404：比较偏差k2与单位错波的偏离百分比k，调整电平u
b1
，使k2约等于k。
24.利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
25.本发明的有益效果是：1.仅通过增加的一只辅助换能器，利用机械结构固定和均匀介质中声波传输稳定的特点，诊断接收信号是否存在错波并纠正，结构简单，成本低。
26.2.不增加多余的信号发射次数，与普通系统电量消耗相近，能耗低。
27.3.v法结构在信号强度得到满足的同时还拥有近似双声道的测量效果。
28.4.当上下游换能器中的一个出现信号故障时，根据辅助换能器的接收信号判断是哪一只换能器出现了发射接收问题。
附图说明
29.图1是本发明的信号诊断装置的电路原理连接结构框图。
30.图2是本发明的换能器安装位置示意图。
31.图中 1.上游换能器，2.下游换能器，3.辅助换能器，4.信号处理电路，41.主控模块， 42.多路模拟开关，43.时间数字转换模块，44.信号放大滤波模块，45.超声信号发射模块，46. 信号幅值采样模块。
具体实施方式
32.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
33.实施例：本实施例的一种应用于超声水表的信号诊断装置及其控制方法，如图2所示，装置包括上游换能器1、下游换能器2和辅助换能器3。
34.上游换能器1和下游换能器2设置在水表管内同一侧，辅助换能器3设置在水表管内的另一侧。辅助换能器3设置在上游换能器1和下游换能器2的中垂线上。
35.由于水表口径普遍小于dn300，因此v法结构在信号强度得到满足的同时还拥有近似双声道的测量效果。
36.如图1所示，装置还包括信号处理电路4。信号处理电路4具体包括主控模块41、多路模拟开关42、时间数字转换模块43、信号放大滤波模块44、超声信号发射模块45和信号幅值采样模块。
37.上游换能器1、下游换能器2和辅助换能器3分别与多路模拟开关42的通道连接，多路模拟开关42还分别与超声信号发射模块45的输出端和信号放大滤波模块44的输入端连接。多路模拟开关42的控制端与主控模块41的控制输出端连接。
38.多路模拟开关42受主控模块41控制，切换上游换能器1、下游换能器2和辅助换能器3与信号地、超声信号发射模块45和信号放大滤波模块44之间的通道。
39.超声信号发射模块45的输出端与多路模拟开关42连接，超声信号发射模块45的控制端与时间数字转换模块43连接，超声信号发射模块45通过多路模拟开关42与上游换能器 1或下游换能器2导通，发射超声信号。
40.信号幅值采样模块46采集超声信号放大滤波后的信号幅值，发到主控模块41。
41.信号放大滤波模块44将辅助换能器3或上/下游换能器接收到的超声信号放大滤波。
42.时间数字转换模块41为阈值可调的tdc模块，时间数字转换模块41通过单片机控制的形式调整阈值和测量时间窗口参数。
43.主控模块41用于配置时间数字转换模块43的时间接收窗口，控制多路模拟开关42 切换通道，断接收超声信号是否存在错波并纠正。在本实施例中，主控模块41为单片机。
44.在超声波传输路径上添加辅助换能器，信号经过反射在上下游换能器之间传输，在一次测量中获得两段传输时间，利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
45.本实施例的一种应用于超声水表的信号诊断装置的控制方法，包括以下步骤：s1：校准顺流传输或逆流传输过程中的两段传输距离比值k，计算单位错波的偏离百分比k。
46.s101：在满管条件下进行校准，无错波情况下计算获得的两端传输距离比值k为：其中，t
a1
为上游换能器到辅助换能器的超声第一顺流传输时间；t
a2
为辅助换能器到下游换能器的超声第二顺流传输时间；t
b1
为辅助换能器到上游换能器的超声第一逆流传输时间；t
b2
为下游换能器到辅助换能器的超声第二逆流传输时间。
47.由于生产的不一致性，具体算法实施前要先进行工厂校准信号的两段传输距离比值k。
48.s102：按水管口径计算当前水表错一个波的偏离百分比k；s102：按水管口径计算当前水表错一个波的偏离百分比k；其中，t为传输一个波的时长；d为水管直径；c为水中的声速；θ为上游换能器到辅助换能器之间的超声路径与水管管壁之间的夹角。
49.t
a1
的单位为us；例如当前水表错1个波(1mhz)，则传输一个波的时长t为1us。
50.s103：多路模拟开关将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地。
51.s2：顺流传输时间测量，通过信号处理电路依次记录上游换能器到辅助换能器以及辅助换能器到下游换能器的超声传输时间。
52.s201：多路模拟开关将上游换能器所在通道与超声信号发射模块连接；主控模块向时间数字转换模块发送指令，配置时间数字转换模块的时间接收窗口(接收时间窗口由机械尺寸和声波在介质中的传播速度计算得来)为辅助换能器接收信号
的时间，并设置触发电平阈值为电平u
a1
(例如400mv)。
53.s202：时间数字转换模块控制超声信号发射模块发射超声信号并启动本次计时。主控模块在短暂延时后多路模拟开关立刻将辅助换能器所在通道切换到信号放大滤波模块。
54.s203：辅助换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第一顺流传输时间t
a1
；同时时间数字转换模块中断告知主控模块启动信号强度采样，信号幅值采样模块获得第一顺流信号强度q
a1
。
55.s204：多路模拟开关将辅助换能器通道开关切换到信号地，下游换能器通道切换到信号放大滤波模块；时间数字转换模块配置时间接收窗口为下游换能器接收信号的时间，触发电平阈值为电平u
a2
。
56.因信号衰减，电平u
a2
需低于电平u
a1
，依换能器特性而定，例如300mv。
57.s205：下游换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第二顺流传输时间t
a2
；同时时间数字转换模块中断告知主控模块启动信号强度采样，信号幅值采样模块获得第二顺流信号强度q
a2
。
58.s206：将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地，完成顺流传输时间测量。
59.s3：逆流传输时间测量，通过信号处理电路依次记录下游换能器到辅助换能器以及辅助换能器到上游换能器的超声传输时间。
60.s301：多路模拟开关将下游换能器所在通道与超声信号发射模块连接；主控模块配置时间数字转换模块的时间接收窗口为辅助换能器接收信号的时间，并设置触发电平阈值为电平u
b1
。
61.s302：发射超声信号并启动本次计时；多路模拟开关将辅助换能器所在通道切换到信号放大滤波模块。
62.s303：辅助换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第一逆流传输时间t
b1
；同时信号幅值采样模块获得第一逆流信号强度q
b1
。
63.s304：多路模拟开关将辅助换能器通道开关切换到信号地，上游换能器通道切换到信号放大滤波模块；时间数字转换模块配置时间接收窗口为上游换能器接收信号的时间，触发电平阈值为电平u
b2
。
64.s305：上游换能器接收到信号，经信号放大滤波模块处理后时间数字转换模块获得超声第二逆流传输时间t
b2
；同时信号幅值采样模块获得第二逆流信号强度q
b2
。
65.s306：将上游换能器、下游换能器和辅助换能器所在通道连接到信号地，完成逆流传输时间测量。
66.s4：根据顺流传输时间测量和逆流传输时间测量获得的超声传输时间，与传输距离比值k计算偏差，偏差与错波的偏离百分比k比较判断是否存在错波现象，并调整触发电平阈值。
67.s401：计算顺流传输的偏差k1；s402：比较偏差k1与单位错波的偏离百分比k，确定顺流传输的错波个数，依次调
整电平u
a2
和电平u
a1
。
68.若k1接近k，则说明t
a2
漏过1个波，若k1为k的多倍，则说明t
a2
漏记多个波，下次测量降低阈值电平u
a2
，调整过程中经历k1约等于0(没有错波)，再到k1约等于-k(多记1 波)，u
a2
取没有错波时阈值和多记1波时阈值两者的中间值，保持u
a2
不变，调整u
a1
到t
a1
计时没有错波阈值和多记1波时阈值两者的中间值。
69.s403：令u
b2
＝u
a2
，因顺逆流有一定对称性，此时u
b2
将可以稳定触发同一个波；计算逆流传输的偏差k2；s404：比较偏差k2与单位错波的偏离百分比k，调整电平u
b1
，使k2约等于k。
70.至此，阈值电平基本调整完毕，后续流量测量过程中不需要实时进行调节阈值，对照公式若测量过程中出现时，代表个别阈值电平已处于临界状态，根据偏离比例重新执行以上调整过程，调整须在信号强度稳定时进行，可根据接收时间波动情况灵活选择某一分段时间的基准阈值电平，再去逐一校准其余阈值。
71.本方案在超声波传输路径上添加辅助换能器，信号经过反射在上下游换能器之间传输，在一次测量中获得两段传输时间，利用两段传输时间的关系以及与总传输时间进行对照，诊断本次测量的信号收发情况，是否存在错波现象，并及时纠错。
72.本实施例的方案通过增加的一只辅助换能器，硬件简单；利用机械结构固定和均匀介质中声波传输稳定的特点，能够诊断接收信号是否存在错波并纠正。
73.超声水表的电池电量主要消耗在信号发射和时间测量上，本方案的系统不增加多余的信号发射次数，与普通系统电量消耗相近。
74.由于水表口径普遍小于dn300，因此v法结构在信号强度得到满足的同时还拥有近似双声道的测量效果。当上下游换能器中的一个出现信号故障时，可能会失去信号发射和接收能力，可根据辅助换能器的接收信号判断是哪一只换能器出现了发射接收问题。
75.应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。