基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法

摘要

本发明公开了一种基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法。传统超声波渡越时间采用互相关方法，以互相关函数最大值作为特征点计算渡越时间。但随着气体流速增大，超声波接收波形会发生畸变，导致同一流速下互相关函数最大值的位置出现漂移，难以得到准确的渡越时间值。通过对大量互相关函数波形的分析，本发明提出一种新的渡越时间计算方法。该方法对每个互相关函数波形进行极值点提取并归一化处理，找出其中相邻极大值差最大的两个极大值点，在两个极大值点之间确定一个特征点，计算时以该特征点来计算渡越时间值。通过实验验证，该方法克服了传统互相关算法最大值与相邻极大值之间幅值区分度小的问题，提高了渡越时间计算的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于气体超声波流量检测技术领域，特别是涉及一种基于互相关算法的渡越时间计算方法。

背景技术

随着“西气东输”战略和“煤改气”工程的实施，天然气在我国的能源结构中占据越来越大的比重。气体超声波流量计凭借其无阻流部件、无活动部件、适合大管径测量和双向测量的优点，在天然气计量中占据举足轻重的地位。相比于国外较为成熟的气体超声波流量计技术，国内在该领域的技术起步较晚，在气体的流动特性、流场分布、声道布置和积分算法方面都存在较大的差距，高端气体超声波流量计仍依赖进口。为此，国内很多科研院所和企业单位展开了气体超声波流量技术的的研究和开发工作，取得了一定的进展。

目前市场上气体超声波流量计大多基于时差法的原理，即超声波在气体管道中传播会受到气体流速的调制，顺流时流体会加速超声波的传播，逆流时流体会阻碍超声波的传播，因此在同一声道上顺流和逆流的渡越时间是不一样的，气体流速与顺逆流渡越时间差有确定的函数关系，利用渡越时间差的计算便可间接求出气体流量。因此渡越时间的精确测量是气体超声波流量计的关键技术。相比于液体超声波流量计，气体超声波流量计超声波信号在传输过程中能量衰减更大，且气体流场更加复杂，这是造成气体超声波流量计研发难度大的关键。

目前，常用的渡越时间计算方法主要有两种，阈值检测法和互相关法。阈值检测法即确定一个阈值，接收信号的幅值超过该阈值的时刻作为超声波信号到达的时间，由此来计算渡越时间，然而由于受到气体流场和噪声的影响，超声波接收信号会出现较大的幅值衰减和波形畸变，因此超声波接收信号的幅值有很大的不确定性，该方法难以得到准确的渡越时间。互相关算法的原理是将两个波形进行互相关运算，互相关函数的最大值对应的横坐标便是两个信号在时间轴上的时延，利用这一原理，将静态时的接收波形作为参考波形，将该参考波形与流体流动时的接收波形做互相关运算，互相关函数的最大值对应的横坐标便是参考波形与接收波形的时间差。互相关算法可以克服接收波形幅值的衰减，适合计算超声波在气体管道中的渡越时间。但是，随着气体流速的增大，接收波形会在流场和噪声的作用下发生畸变，由于互相关函数的最大值和相邻波极大值之间的幅值区分度很小，容易造成互相关函数的最大值点在相邻波峰之间漂移，引起渡越时间值的较大偏差。

发明内容

本发明针对气体超声波流量计传统互相关算法存在的不足，基于归一化后的互相关函数波形包络在同一流速下具有稳定性，不同流速下具有相似性的特点，提出一种基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法，旨在弥补互相关算法在高流速测量中的不足，提高渡越时间测量的准确性和重复性。

本发明的技术实施方案如下：

在量程范围内根据气体流场的形态(层流、过渡流和湍流)并兼顾各个流速段(低流速、中流速和高流速)选择N个流速点作为建模的流速点；在静态时，采集若干顺流超声波接收信号波形和逆流超声波接收信号波形(顺流和逆流的接收信号波形数相等)，将这些顺逆流超声波接收信号波形进行数学平均，平均后的波形作为参考波形；在每个流速点下连续采集2M(接收波形的个数要保证数据量的充分，体现在长时间工作下的随机特性)个超声波接收波形，包括M个顺流接收波形和M个逆流接收波形；将采集到的所有接收波形与参考波形分别进行互相关运算，得到互相关函数波形；对所有互相关函数波形进行波形包络提取，具体地，以1为步长遍历整个波形，每次取连续七个点，对七个连续的点进行大小比较，若中间的点是七个点中的最大值或最小值则将该点提取出来，即提取出了波形所有的极值点，将剩余的点均置零，这样可以保证极值点的位置(横坐标和纵坐标)保持不变，由这些点构成互相关函数波形的包络。

对所有互相关函数波形包络进行归一化处理，即找出每个包络的最大值，然后循环遍历该包络中的每个点分别除以最大值，得到归一化之后的包络波形，将同一个流速点下同一方向(顺流或逆流)的M个归一化包络波形绘制在一张图上，在该图上找出相邻极大值差最大的两个极值点，将这两个极值点之间的区间作为该流速该方向下的特征点区间，综合考虑所有流速下的情况，找出适合于所有流速点下的特征点区间，即所有单个流速点下特征点区间的交集，取该交集的中间值作为渡越时间计算的特征点。

至此，建模工作已完成，即确定好了渡越时间计算的特征点，该特征点适合于所有流速点下渡越时间计算。接下来便是计算工作，在具体计算某一接收波形对应的渡越时间时，首先按照如上步骤得到该接收波形对应的互相关函数归一化包络波形，在该包络递增区间上选取大于特征点纵坐标值的第一个极大值点的横坐标值为该接收波形的渡越时间计算基准点。

该方法的实施依据是归一化后的互相关函数波形包络在同一流速下具有稳定性，不同流速下具有相似性。理论依据是原始的互相关算法，即将两个时间轴上有延时的波形进行互相关计算，计算得出的互相关函数的最大值对应的时间便是两个波形的时差，但是对应于气体管道中的超声波接收信号波形，随着流速增大，接收信号波形会发生畸变，互相关函数的最大值和相邻极大值之间的幅值区分度很小，因此畸变后的接收信号波形得到的互相关函数容易造成最大值位置会在相邻波之间漂移，难以得出准确的渡越时间值。从幅值区分度方面考虑，采用相邻极大值差最大的方法确定渡越时间计算的特征点可以确保选取到整个互相关函数中幅值区分度最大的区间，该特征点具有较强的抗接收波形畸变的能力，将该特征点代替原来的最大值点作为渡越时间计算的时间点，可以得到更加准确的渡越时间值。

本发明的优点在于：针对气体超声波流量计传统互相关算法在高流速测量时存在的不足，基于归一化后的互相关函数波形包络在同一流速下具有稳定性，不同流速下具有相似性的特点，提出了一种基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法，弥补互相关算法在高流速测量时的不足，提高渡越时间测量的准确性和重复性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，针对气体超声波流量计中渡越时间计算存在的问题，提供了一种基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法。该渡越时间计算方法可以确保选取到整个互相关函数中幅值区分度最大的区间，该方法对接收信号波形的畸变和外部噪声干扰具有较强的抗干扰能力，将该特征点代替原来的最大值点作为渡越时间计算的时间点，可以得到更加准确的渡越时间值，提高了渡越时间计算的准确性和重复性。

附图说明

图1是本发明整体流程图；

图2是超声波接收波形图；

图3是互相关函数波形图；

图4是零流速下100个互相关函数归一化包络波形图；

图5是高流速(15m/s)下100个互相关函数归一化包络波形图；

图6是针对单个互相关函数归一化包络波形求取渡越时间示意图；

图7是传统互相关算法计算得出的高流速(15m/s)下渡越时间分布图；

图8是本发明方法计算得出的高流速(15m/s)下渡越时间分布图。

具体实施方式

参照图1，本发明的整体流程包括建模和计算两个阶段，在量程范围内根据气体流场的形态(层流、过渡流和湍流)并兼顾各个流速段(低流速≤5m/s、中流速5-10m/s和高流速≥10m/s)选择12个流速点作为建模的流速点。具体地，根据雷诺数的定义并兼顾整个量程范围，确定如下12个流速点作为建模的流速点，0m/s、0.2m/s、0.4m/s、1.0m/s、2.5m/s、5.0m/s、7.5m/s、10.0m/s、15.0m/s、20.0m/s、25.0m/s、30.0m/s。

参照图2，选取零流速下的接收信号波形的一部分作为参考波形(起始点接近超声波起振点)，在每个流速点下连续采集200个超声波接收信号波形(200个波形体现在长时间工作下的随机特性)，包括100个顺流接收信号波形和100个逆流接收信号波形，将采集到的所有接收信号波形与参考波形分别进行互相关运算，得到互相关运算之后的互相关函数波形。

其中，互相关计算公式为：

x(k)为参考波形，y(k+τ)为超声波接收信号波形，R_xy(τ)为互相关函数。将R_xy(τ)中幅值最大点对应的横坐标作为渡越时间计算的基准点即可求出渡越时间，参照图3所示。

参照图4和图5，对所有互相关函数波形进行波形包络提取，具体地，以1为步长遍历整个波形，每次取连续七个点，对七个连续的点进行大小比较，若中间的点是七个点中的最大值或最小值则将该点提取出来，即提取出了波形所有的极值点，将剩余的点均置零，这样可以保证极值点的位置(横坐标和纵坐标)保持不变，由这些点构成互相关函数波形的包络。对所有互相关函数波形包络进行归一化处理，即找出每个包络的最大值，然后循环遍历该包络中的每个点分别除以最大值，得到归一化之后的包络波形，将同一个流速点下同一方向(顺流或逆流)的100个归一化包络波形绘制在一张图上，在该图上找出相邻极大值差最大的两个极值点，将这两个极值点之间的区间作为该流速该方向下的特征点区间，综合考虑所有流速下的情况，找出适合于所有流速点下的特征点区间，即所有单个流速点下特征点区间的交集，取该交集的中间值作为渡越时间计算的特征点。至此，建模工作已完成，即确定好了渡越时间计算的特征点，该特征点适合于所有流速点下渡越时间计算。

参照图6，在具体计算某一接收信号波形对应的渡越时间时，首先按照如上步骤得到该接收信号波形对应的互相关函数归一化包络波形，在该包络递增区间上选取大于特征点纵坐标值的第一个极大值的横坐标值为该接收信号波形的渡越时间计算基准点。

该方法的实施依据是归一化后的互相关函数波形包络在同一流速下具有稳定性，不同流速下具有相似性。理论依据是传统的互相关算法，即将两个时间轴上有延时的波形进行互相关计算，计算得出的互相关函数的最大值对应的时间便是两个波形的时差，但是对应于气体管道中的超声波接收信号波形，随着流速增大，接收信号波形会发生畸变，互相关函数的最大值和相邻极大值之间的幅值区分度很小，因此畸变后的接收信号波形得到的互相关函数容易造成最大值位置会在相邻波之间漂移，难以得出准确的渡越时间值。参照图4和图5所示，在零流速下归一化后的互相关函数波形包络位置很稳定，此时最大值与相邻极大值之间可以区分，但是幅值区分度不高，当流速增大之后，波形包络位置出现变动，会造成最大值与相邻极大值之间混淆，得到的是两个最大值对应的两个渡越时间值，相比较，特征点区间却没有混淆的极大值，得到的渡越时间更加准确。从幅值区分度方面考虑，采用相邻极大值差最大的方法确定渡越时间计算的特征点可以确保选取到整个互相关函数中幅值区分度最大的区间，该特征点具有较强的抗接收波形畸变的能力，将该特征点代替原来的最大值点作为渡越时间计算的时间点，可以得到更加准确的渡越时间值。

实验结果对比参照图7和图8所示，在15m/s的高流速下，采用传统互相关算法计算得出的渡越时间值由于其互相关函数波形包络最大值与相邻极大值之间混淆，即此时具有两个最大值，因此计算得出的渡越时间值会围绕两个最大值对应的渡越时间波动，如图7所示，由于超声波信号频率为200kHz，因此两个最大值间隔5us，无法得出唯一准确的渡越时间值。而采用本发明提出的方法，由于选取到整个互相关函数中幅值区分度最大的区间，避免了极大值之间的混淆，如图8所示，因此能够计算得出唯一准确的渡越时间值，便于后期的流量计量。