本發(fā)明涉及流量測量領(lǐng)域，為一種氣體超聲波流量變送器，特別是一種基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理方法和系統(tǒng)。本發(fā)明采用間歇式激勵方法產(chǎn)生超聲波信號，采用相鄰峰值最大差值方法并結(jié)合過零檢測方法處理超聲回波信號，實現(xiàn)氣體流量的測量。

背景技術(shù)：

氣體超聲波流量計(又稱氣體超聲流量計)具有精度高、無壓損、測量范圍廣等諸多優(yōu)點，在氣體流量測量方面應用廣泛，特別在大口徑管道的天然氣流量測量方面，其優(yōu)越性更加明顯。氣體超聲波流量計常用的測量方法(原理)有傳播速度差法和多普勒法等。傳播速度差法又包括時差法、相差法和頻差法。其中，時差法是氣體超聲流量計采用的最為廣泛和有效的測量方法?；跁r差法測量原理的氣體超聲波流量計測量流量時，首先需要激勵信號以驅(qū)動發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號；接收換能器再將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為回波信號；根據(jù)回波信號找到一個穩(wěn)定的特征點來確定順流和逆流的傳播時間，進而計算出氣體流量。但是，由于超聲波信號在氣體中傳播時，其能量會產(chǎn)生較大衰減，所以，回波信號幅值較小，信噪比較低，容易受噪聲、流量波動等的影響。同時，激勵信號的長度、幅值等都會直接影響回波信號的品質(zhì)。

國內(nèi)外學者對氣體超聲流量計的激勵技術(shù)進行了研究，主要提出了以下幾種方法。

(1)調(diào)頻編碼激勵方法

調(diào)頻編碼激勵方法主要分為線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和階梯調(diào)頻。該激勵方法包含單個或多個頻段的載波(如正弦波)，通過增加激勵信號的帶寬，來提高回波信號的幅值。Tanisawa S等采用一種調(diào)頻信號來激勵超聲波換能器(Tanisawa S.，Hirose H..Study on a gas FM ultrasonic flow rate sensor for a small diameter pipe[C].Proceedings of the 43st SICE Annual Conference IEEE(SICE 2004)，2004，1：521-524.)，以保證聲場的穩(wěn)定，有效地減少駐波和反射波的影響。但是，由于超聲換能器的帶寬較窄，導致整個系統(tǒng)的帶寬受限，超出換能器通帶外的能量轉(zhuǎn)換效率低，因此，從回波信號幅值角度考慮，調(diào)頻激勵的效果并不明顯。

(2)調(diào)相編碼激勵方法

調(diào)相編碼激勵方法主要分為m序列、L序列、H序列、雙素數(shù)序列和巴克碼。每種調(diào)相編碼激勵信號都有一段特殊編碼順序的序列，而每種序列一般由兩種載波(用二進制數(shù)0和1表示)組成，兩種載波之間具有相對固定的相位差。在同一序列中，同一載波的形狀和長度相同。在不同的序列中，載波的形狀和長度都可以不同。Nowicki A等采用一種調(diào)相編碼信號激勵換能器(Nowicki A.,Klimonda Z.,Lewandowski M.,et al.Comparison of sound fields generated by different coded excitations-experimental results[J].Ultrasonics,2006,44(1):121-129.)，發(fā)現(xiàn)調(diào)相編碼和短脈沖激勵信號聲場分布相似，而調(diào)相編碼激勵能夠更有效地抑制相關(guān)函數(shù)旁瓣。Jacobson S.A.等采用11位巴克碼作為激勵信號(Jacobson S.A.，Lynnworth L.C.，Korba J.M..Differential Correlation Analyzer[P].U.S：4787252，1988-11.)，能得到相關(guān)函數(shù)旁瓣最小的回波信號。Ricci M采用m序列作為激勵信號(Ricci M,Senni L,Burrascano P.Exploiting Pseudorandom Sequences to Enhance Noise Immunity for Air-Coupled Ultrasonic Nondestructive Testing[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,2012,61(11):2905-2915.)，能得到信噪比較高，量化噪聲較小的回波信號。

(3)調(diào)幅編碼激勵方法

調(diào)幅編碼激勵方法比較特殊，主要適用于基于互相關(guān)分析的信號處理算法。碼元1代表有激勵信號(激勵周期)，碼元0代表無激勵信號(止歇周期)。在激勵周期內(nèi)，回波信號具有較穩(wěn)定的幅值；在止歇周期內(nèi)，回波信號幅值基本為0。取回波信號的幅值輪廓與激勵信號進行互相關(guān)運算，求取回波信號的到達時刻。Yao Z J等采用調(diào)幅編碼信號(Yao Z J,Gao T,Ma H R,et al.Optimized Pseudorandom BASK Emission Sequences for Ultrasonic Multi-Life Location System[J].Advanced Materials Research,2011,268-270:1850-1855.)，消除不同通道間的串擾，提高回波信號相關(guān)算法的準確度。

(4)不同編碼結(jié)合激勵方法

Miyamoto J等采用幅值調(diào)制的m序列作為激勵信號(Miyamoto J,Kajitani H.Optimum pseudo random sequence determining method,position detection system,position detection method,transmission device and reception device:US,US8427905[P].2013.)，通過對激勵信號與回波信號做互相關(guān)處理，找出真實的回波信號，消除回波信號中反射波的影響。

(5)非編碼激勵方法

非編碼激勵方法是采用單個或多個連續(xù)脈沖、正弦波等對超聲波換能器進行激勵。該方式形式簡單，易于實現(xiàn)。Fang M等采用不同的非編碼信號激勵超聲波換能器(Fang M,Xu K J,Zhu W J,et al.Energy transfer model and its applications of ultrasonic gas flow-meter under static and dynamic flow rates[J].Review of Scientific Instruments,2016,87(1).)，建立了能量傳遞模型，發(fā)現(xiàn)當激勵電壓較低時，若采用單個脈沖或正弦波激勵，激勵信號能量較小，回波信號幅值較低，而采用多個連續(xù)脈沖或正弦波進行激勵，可以有效地提高回波信號的幅值。

國內(nèi)外學者也對氣體超聲流量計信號處理技術(shù)進行了研究，主要有以下幾種方法。

(1)基于互相關(guān)和過零檢測相結(jié)合的方法

德國西門子股份公司采用一種過零檢測與互相關(guān)相結(jié)合的方法計算超聲波順流和逆流的絕對傳播時間(Arthur Freund,Nils Kroemer.Method for measuring the time of flight of electric,electromagnetic or acoustic signals,EP Patent NO.0797105A2,Mar.17,1997)，首先通過某種方法獲得1段不含噪聲的回波信號，假設其起始時刻為t₀，同時在該回波信號中選定某1個過零點，該過零點距離起始時刻t₀的時間間隔記為t_N。然后，將該段回波信號與換能器實際采集的回波信號做互相關(guān)運算。如果互相關(guān)運算結(jié)果的最大值表征的時間間隔為t_d，同時，假設實際回波信號的起始時刻相對于激勵信號發(fā)射時刻的時間間隔為t₁，那么回波信號的傳播時間為：

t＝t₁+t_d+t_N-t_korr (1)

式中，t_korr為修正時間，它包括換能器轉(zhuǎn)換延時和電路傳輸延遲。這種方法能夠可靠地從混雜有噪聲信號的接收波形中檢測出回波信號，并且由于過零點附近具有較高的幅值分辨率，所以，適合于嘈雜的工業(yè)現(xiàn)場。但是，該專利中沒有披露如何獲取不含噪聲的回波信號；同時，還存在互相關(guān)運算量大等問題。

(2)基于相位突變的方法

奧地利AVL里斯托有限公司(Mario Kupnik,Andreas Schroder,Michael Wiesinger,Klaus-Christoph Harms.Ultrasonic gas flowmeter as well as device to measure exhaust flows of internal combustion engines and method to determine flow of gases,US Patent NO.2005/0066744A1,Mar.31,2005)采用監(jiān)測超聲回波信號在從無到有的過程中相位的突變來實現(xiàn)流量測量。由于回波信號呈紡錘體型，因此，首先尋找到回波信號的幅值最大點，并且通過希爾伯特變換計算獲得信號的相位信息，再以回波信號的最大幅值點對應的時刻為起點，尋找回波信號上最大幅值前面的部分，找到相位停止持續(xù)變化的時間點，將該點作為相位突變點。通過這個相位突變點，確定回波信號的第一個過零點，進而獲得超聲波順流、逆流傳播時間。可是，這種方法計算量大，并且易受現(xiàn)場噪聲的影響，不便于工業(yè)現(xiàn)場的實際應用。

(3)基于移位疊加的方法

為了提高回波信號的信噪比，荷蘭的Instromet公司采用了移位疊加的方法(Eduard Johannes Botter.Ultrasonic signal processing method and applications thereof,US patent NO.7254494B2,Aug.7,2007)。此方法首先按照一定的時間間隔連續(xù)發(fā)送8次激勵信號，獲得相應的8組回波信號，然后，將這8組回波信號按照預設的時間進行移位疊加，使回波信號獲得增強，而噪聲信號由于其隨機性，在疊加的過程中會相互抵消而衰減。最后，再通過閾值檢測的方法獲得超聲波順流、逆流傳播時間。該方法利用回波信號和噪聲信號各自的時域特征，有效地提高了信噪比。但是，重復發(fā)射超聲激勵信號，延長了系統(tǒng)的測量時間，影響了流量計的動態(tài)響應。當流量發(fā)生突變時，將會產(chǎn)生較大的測量誤差。

(4)基于互相關(guān)及其衍生的方法

由于在超聲波流量計工作工程中，順流和逆流時產(chǎn)生的回波信號之間具有相關(guān)性，而噪聲與信號之間不具有相關(guān)性，因此可以利用互相關(guān)及其衍生方法計算超聲波的傳播時間差。傳統(tǒng)的互相關(guān)計算如式(2)所示，其中，假設順流時的回波信號為x(t)，逆流時的回波為y(t)，那么，R_xy(τ)取得最大值時所對應的時間位移τ，即為順流傳播時間與逆流傳播時間之差。傳統(tǒng)的互相關(guān)方法運算量大，難以利用單片機的有限資源實時實現(xiàn)。為了減少互相關(guān)的運算量，日本東京計裝(Keiso)株式會社采用了一種互相關(guān)衍生算法(Tokio Sugl,Tadao Sasaki.Ultrasonic flow meter,US patent NO.007299150B1,Nov.20,2007)，如式(3)所示，其中，m為移位步數(shù)，N為采樣點數(shù)，那么，S_xy(m)取得最大值時所對應的移位步數(shù)m表征了順流和逆流傳播時間之差。通過對比公式(2)和(3)，不難發(fā)現(xiàn)，這種互相關(guān)衍生算法利用加法取模運算代替了原互相關(guān)算法中的乘法運算，減少了運算量。可是，同時也帶了測量的誤差，尤其當噪聲干擾較大的時候，極有可能出現(xiàn)計算錯誤。

(5)基于可變閾值的過零檢測方法

為了找到穩(wěn)定的特征點以計算超聲波傳播時間，汪偉等提出一種基于可變閾值過零檢測氣體超聲波流量信號處理方法(汪偉,徐科軍,方敏,等.一種氣體超聲波流量計信號處理方法研究[J].電子測量與儀器學報,2015,29(9):1365-1373；徐科軍，方敏，汪偉，朱文姣，沈子文。一種基于FPGA和DSP的氣體超聲流量計，申請中國發(fā)明專利，公開號CN104697593A，申請日2015.06.10.)，根據(jù)信號幅值的大小設定一個可變的閾值。這個閾值根據(jù)最大峰值實時調(diào)整，與最大峰值成一定比例。通過這個可變的閾值可以準確地找到回波信號的某個特征波，然后，進行過零檢測，將過零點作為特征點，從而求得超聲波信號順流、逆流的傳播時間，并計算出準確的氣體流量。雖然該方法取得了較好的實驗結(jié)果，但是，該方法未研究與之對應的效果更佳的激勵信號，并且，該方法需要在測量流量之前進行閾值參數(shù)的選取，操作相對復雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對從氣體超聲波流量計回波信號中難以確定到達時刻，而儀表又要求具有較高實時性的問題，本發(fā)明提出了一種基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計信號處理方法。為了提高該信號處理方法的測量精度，本發(fā)明又提出了一種間歇式激勵方法。并在合肥工業(yè)大學研制的雙聲道氣體超聲波流量計的硬件平臺上(徐科軍，方敏，汪偉，朱文姣，沈子文。一種基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和DSP(數(shù)字信號處理器)的氣體超聲流量計，申請中國發(fā)明專利，公開號CN104697593A，申請日2015.06.10)，實現(xiàn)基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理方法。

首先，通過間歇式激勵信號(即發(fā)射一次連續(xù)非編碼激勵信號，間歇一定時間后，再發(fā)送一次連續(xù)非編碼激勵信號)激勵超聲波發(fā)射換能器，產(chǎn)生超聲波信號；當接收換能器接收到超聲波信號后，將其轉(zhuǎn)化為回波信號；再對回波信號進行放大、濾波，用5MHz的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)對其進行采樣；通過FPGA轉(zhuǎn)存到DSP中。DSP對其進行零相位濾波，再找回波信號中相鄰峰值最大差值對應的特征波，將特征波后的8個過零點的平均值作為特征點，確定超聲波信號順流、逆流的傳播時間，并計算氣體流量。

附圖說明

圖1是氣體超聲波流量計的硬件框圖。

圖2是DSP軟件功能框圖由主監(jiān)控程序和各個子程序模塊組成。

圖3是氣體超聲流量計系統(tǒng)主控芯片—FPGA和DSP的工作流程圖。

圖4是定時器中斷服務程序。

圖5是間歇式激勵方法原理示意圖。

圖6是間歇式激勵信號中的一種。

圖7是間歇式激勵信號的產(chǎn)生過程。

圖8是間歇寬度為1.7us時得到的回波信號歸一化后的波形圖。

圖9是基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法步驟。

圖10是基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法圖解。

圖11是有流量情況下激勵信號的起始時刻、回波信號起始時刻和特征點對應時刻之間的關(guān)系。

圖12是零流量下激勵信號的起始時刻、回波信號起始時刻和特征點對應時刻之間的關(guān)系。

具體實施方式

參見圖1，本發(fā)明的硬件系統(tǒng)由換能器單元、發(fā)射/接收信號通道切換電路、激勵信號產(chǎn)生與放大電路、回波信號調(diào)理與采樣電路、DSP最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)和電源管理模塊組成。

所述換能器單元由四個換能器組成，分別固定安裝在輸送氣體流量的管道上；四個換能器分別為換能器1、換能器2、換能器3和換能器4，組建成為直射式雙聲道結(jié)構(gòu)；每個換能器既作為發(fā)射換能器，又作為接收換能器。

所述DSP最小系統(tǒng)由DSP芯片、時鐘模塊、外部看門狗模塊、FRAM(鐵電存儲器)模塊、串口通訊模塊和按鍵/液晶模塊組成，其中DSP芯片的型號為TMS320F28335。

所述FPGA最小系統(tǒng)由FPGA芯片、時鐘模塊、復位電路模塊和FLASH(閃存)模塊組成，其中FPGA芯片的型號為EP2C8Q208C8N。其中，F(xiàn)PGA內(nèi)部的模塊包括RAM_2PORT數(shù)據(jù)存儲模塊、ROM數(shù)輸出模塊、DAC驅(qū)動控制模塊、時鐘分頻模塊和延時控制模塊。

所述電源管理模塊提供系統(tǒng)所需的模擬電源(+12V、-12V、+5V、-5V)，以及數(shù)字電源(+3.3V、+1.9V、+1.2V)。

圖2所示為DSP軟件功能框圖由主監(jiān)控程序和各個子程序模塊組成；其中，各個子程序模塊包括初始化模塊、發(fā)射/接收信號通道切換模塊、與FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊、中斷模塊、計算模塊、FRAM讀寫模塊、串口通訊模塊、脈沖輸出模塊、按鍵輸入模塊以及液晶顯示模塊。主監(jiān)控程序是整個系統(tǒng)的總調(diào)度程序，通過調(diào)動各個子程序模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。

圖3所示氣體超聲流量計系統(tǒng)主控芯片—FPGA和DSP的工作流程圖。氣體超聲流量計系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA進行初始化，建立相應的電路結(jié)構(gòu)，并等待DSP發(fā)送激勵起始信號；同時，DSP對GPIO口進行分配，完成定時器中斷初始化、液晶顯示初始化、從鐵電存儲器模塊內(nèi)讀取累積計流量、初始化流量計各項參數(shù)等各項初始化任務。然后，DSP向FPGA發(fā)送激勵起始信號；接著，DSP切換相應的激勵、回波信號選通聲道，并檢測標志位是否為0。若為0，則直接進入等待轉(zhuǎn)存起始信號狀態(tài)；若為1，則更新液晶顯示，完成上位機通訊，并將標志位置為0。而FPGA收到激勵起始信號后，向延時控制模塊發(fā)送延時起始信號，開始延時計數(shù)，并通過DAC驅(qū)動控制模塊控制FPGA將內(nèi)部ROM(只讀存儲器)數(shù)據(jù)輸出模塊中預存的激勵信號波形數(shù)據(jù)輸出至圖1中所示的激勵信號產(chǎn)生與放大電路。由該電路中的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，再經(jīng)功率放大電路、電壓放大電路后，通過發(fā)射/接收信號通道切換電路加載到選通的發(fā)射換能器上。發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲波信號，在氣體介質(zhì)中傳播一定時間后，由接收換能器接收，并轉(zhuǎn)化為回波信號?；夭ㄐ盘杺鬏斨翀D1中所示的回波信號調(diào)理與采樣電路，經(jīng)放大、濾波后，再由FPGA內(nèi)部的ADC采樣控制模塊，控制ADC以5MHz的采樣頻率對回波信號進行采樣。采樣的起始時刻由FPGA內(nèi)部相應的延時控制模塊決定，采樣結(jié)果存放在FPGA內(nèi)部的RAM_2PORT數(shù)據(jù)存儲模塊中。采樣完成后，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)送轉(zhuǎn)存起始信號。DSP收到該信號后，開始轉(zhuǎn)存FPGA中存儲的采樣數(shù)據(jù)，并采用本發(fā)明提出的基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法找到特征點位置，確定超聲波信號在順流、逆流中的傳播時間。由于雙聲道氣體超聲流量計計算一次瞬時流量需要確定每個聲道的順流、逆流傳播時間，因此，循環(huán)完成四次上述過程后，可確定兩個聲道的順流、逆流傳播時間，完成一次瞬時流量的計算，再根據(jù)計算出的瞬時流量進一步計算出累積流量。

圖4所示為定時器中斷服務程序。定時器的時間計數(shù)為1s，當定時器計時達到1s時，DSP會進入該中斷程序，讀取瞬時流量，計算累積流量，并完成PWM輸出；同時，將定時器的標志位置為1，此處所述標志位與圖3中所述的標志位相同。

圖5所示為間歇式激勵方法原理示意圖。當采用非編碼激勵信號激勵發(fā)射換能器時，產(chǎn)生的超聲波信號由接收換能器接收，輸出的回波信號呈紡錘體形。圖5所示的激勵信號即為非編碼激勵信號中的一種，這種激勵信號采用正弦波作為基本波形，進行周期延拓，得到5個連續(xù)的正弦波信號，作為一次非編碼激勵信號。由于超聲波換能器存在阻尼特性，當采用激勵信號激勵發(fā)射換能器時，接收換能器接收到的回波信號將經(jīng)過一段時間后才會衰減到零。若緊接著對發(fā)射換能器再次進行激勵，接收換能器輸出的回波信號就會與之前的回波信號疊加在一起，形成如圖5中所示的疊加波形。所述的間歇式激勵方法(即發(fā)射一次連續(xù)非編碼激勵信號，間歇一定時間后，再發(fā)送一次連續(xù)非編碼激勵信號)，結(jié)合了非編碼激勵方式簡單、編碼激勵包含波形組合的優(yōu)點，在一次完整激勵中，發(fā)射前后兩次非編碼激勵信號。若前后兩次激勵都采用長度相同、頻率與換能器中心頻率相同的信號，那么，前后兩次回波信號的頻率和輪廓勢必也相同。而通過改變兩次激勵的間歇寬度，會使前后兩次回波信號產(chǎn)生不同位置的疊加。由于回波信號是周期振蕩的，如果能調(diào)節(jié)兩次激勵信號間歇，恰好使前后兩次的回波信號部分反相抵消、部分正相疊加，就能得到相鄰峰值差值較大且穩(wěn)定的回波信號。

圖6所示為間歇式激勵信號中的一種。即發(fā)送5個連續(xù)正弦波信號，間歇一定時間后，再發(fā)送5個連續(xù)正弦波信號，其基本波形為正弦波。另外，基本波形也可以采用方波、鋸齒波、三角波等波形?；静ㄐ蔚念l率以換能器的中心頻率為最優(yōu)，這樣能保證最有效地傳遞激勵信號的能量。而采用5個正弦波是為了保證回波信號具有較高的信噪比。

圖7所示為間歇式激勵信號產(chǎn)生過程，其中，包括了激勵信號產(chǎn)生與放大電路的組成。以產(chǎn)生圖6所示的間歇式激勵信號為例，首先將一個周期的基本正弦波波形數(shù)據(jù)存入FPGA的ROM數(shù)據(jù)輸出模塊中。當接收到DSP發(fā)送的激勵起始信號后，F(xiàn)PGA連續(xù)調(diào)用5次ROM數(shù)據(jù)輸出模塊中存儲的正弦波數(shù)據(jù)，等待一定間歇時間后，F(xiàn)PGA再次連續(xù)調(diào)用5次ROM數(shù)據(jù)輸出模塊中存儲的正弦波數(shù)據(jù)。調(diào)用的數(shù)據(jù)輸出至圖1中所示的激勵信號產(chǎn)生與放大電路，由該電路中的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，再經(jīng)功率放大電路、電壓放大電路后，通過發(fā)射/接收信號通道切換電路加載到選通的發(fā)射換能器上。

圖8所示為間歇寬度為1.7us時得到的回波信號經(jīng)歸一化后的波形圖。該波形圖即為調(diào)節(jié)圖6中前后兩次5個連續(xù)正弦波的間歇，使間歇寬度為1.7us時得到的歸一化后的回波信號。從圖中可以明顯看出，得到的回波信號中相鄰峰值差值較大，且位于后次回波信號的上升階段(或稱第二次峰值的上升階段)。

圖9所示為基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法步驟。

圖10所示為基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法圖解。由于雙聲道氣體超聲流量計計算一次瞬時流量需要確定每個聲道的順流、逆流傳播時間，因此，循環(huán)完成四次信號處理，才能確定兩個聲道的順流、逆流傳播時間，完成一次瞬時流量的計算。在此，以計算其中一個聲道的順流傳播時間為例，敘述基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法的步驟。首先需要氣體超聲波流量計發(fā)射一次圖6所示的激勵信號，將該激勵信號的間歇寬度設置為1.7us。然后會接收到如圖8所示的回波信號，再通過本發(fā)明所提出的相鄰峰值最大差值的方法進行信號處理，得出順流傳播時間。如圖9所示的具體步驟為：

(1)對回波信號進行濾波、歸一化處理

采用四階巴特沃斯帶通濾波器構(gòu)成零相位濾波器，對采集的一組回波信號數(shù)據(jù)進行實時的帶通濾波處理，通帶范圍為120kHz～280kHz。所述的零相位濾波器，是將回波信號數(shù)據(jù)順序、反序通過四階巴特沃斯帶通濾波器，得到濾波前后無相位差的回波信號。再找出回波信號的最大峰值A_max，對所有采樣值除以最大峰值A_max，即可得到歸一化的回波信號。

(2)設置尋找各峰值點的起始位置并尋找各峰值點

為了降低運算量，去掉前面幅值較小的采樣點，預先設定一個閾值M(M可取0.2～0.6之間的任意值)，如圖10所示。從起始采樣點開始，往后尋找，找到最近的歸一化后采樣值大于M的采樣點，將找到的采樣點位置作為尋找各峰值點的起始位置。從起始位置開始，比較三個連續(xù)采樣點的中間點是否為三個采樣點的最大值。若為最大值，則作為一個峰值點；若不為最大值，則不作處理。按照上述步驟找出回波信號中的各峰值，如圖10所示。

(3)比較得出第二次峰值上升階段的各峰值點

通過比較找到各峰值點的大小，找出回波信號中第二次峰值上升階段的各峰值點，如圖10中方框所示。

(4)計算相鄰峰值的差值，并找出最大值

對第二次峰值上升階段的所有峰值點，用后一個峰值減前一個峰值的方法，得到各相鄰兩峰值的差值ΔA。最后，比較各相鄰兩峰值的差值大小，得到相鄰峰值最大差值ΔA_max，如圖10所示。

(5)找出特征點，并確定傳播時間

通過相鄰峰值最大差值ΔA_max的位置，找出該最大差值對應的特征波，并找出特征波后的8個過零點，如圖10所示。將特征波后的8個過零點的平均值作為特征點，確定傳播時間，以消除一些隨機誤差，提高測量精度。若超聲波的順流傳播時間為T_d|_Flow，則

式中，T|_Flow為有流量情況下激勵信號起始時刻到特征點對應時刻的時間長度，τ_i(i＝1,2,3…8)為過零點時間，t'為一個根據(jù)零流量下的傳播時間求得的固定偏差值，其關(guān)系如圖11所示。由于零流量下超聲波的傳播速度V_s不受流體的影響，是固定不變的；而超聲波傳播聲道的長度L是已知的,因此，可直接計算出零流量下的順流傳播時間T_d|_Flow＝0。

再實測得到零流量下激勵信號的起始時刻到特征點對應時刻的時間長度T|_Flow＝0，而零流量下激勵信號的起始時刻、回波信號起始時刻和特征點對應時刻之間的關(guān)系，如圖12所示，則t′為

t′＝T|_Flow＝0-T_d|_Flow＝0 (6)

重復步驟(1)～(5)4次，就完成了雙聲道順流和逆流傳播時間的測量，根據(jù)公式(7)，即可計算出兩個聲道的瞬時流量Q。

式中，為聲道上的平均速度，S為管道的橫截面積，α表示一個與聲道數(shù)量、聲道分布及雷諾數(shù)等因素有關(guān)的修正系數(shù)，L表示聲道長度，θ表示換能器與氣體管道之間夾角，T_d、T_u分別表示同一聲道的超聲波順流、逆流傳播時間。由于雙聲道是對稱分布的，因此，兩個聲道計算的流量值權(quán)重各為0.5，則最終的瞬時流量Q′為

Q′＝0.5*Q₁+0.5*Q₂ (8)

式中，Q₁、Q₂分別表示兩個不同聲道，根據(jù)公式(7)計算出的瞬時流量。

在得到最終的瞬時流量后，根據(jù)如圖4所示的DSP定時器的中斷服務程序，每隔1秒鐘計算一次累積流量，并完成相應顯示、輸出、通訊等功能。

表1所示為基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理系統(tǒng)在安徽省計量科學研究院進行實流標定實驗的結(jié)果。超聲流量計檢定規(guī)程(JJG1030—2007.超聲流量計，中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2007.)要求1級精度氣體超聲波流量計流量范圍大于3m/s(約85m³/h)時，平均實際脈沖系數(shù)誤差小于±1％，重復性小于0.2％；流量范圍小于3m/s(約85m³/h)時，平均實際脈沖系數(shù)誤差小于±2％，重復性小于0.4％。從表1可知，最大平均實際脈沖系數(shù)誤差為+0.132％，最大重復性誤差為0.07％。實驗結(jié)果表明，間歇式激勵方法配合相鄰峰值最大差值的信號處理方法的氣體超聲流量計系統(tǒng)的測量精度滿足超聲流量計檢定規(guī)程對1級精度氣體超聲波流量計的相關(guān)要求。并且，其采用的相鄰峰值最大差值的信號處理方法計算簡單，能保證氣體超聲波流量計系統(tǒng)具有更高的實時性，因此，實驗結(jié)果遠優(yōu)于1級精度氣體超聲波流量計的相關(guān)要求。

表1標定結(jié)果