时差法多声道气体超声波流量计的研究

摘要

相比于传统流量计，超声波流量计具有测量精度高、无阻流部件、适合大管径流量测量等优点。在我国，随着天然气使用的普及，气体超声波流量计作为法定计量工具，得到了广泛的应用。国际上对气体超声波流量计研究较早，目前已经有成熟的高精度多声道流量计产品，但价格非常昂贵。我国在这方面的起步较晚，技术积累较为欠缺，只有几家企业能提供精度不高的气体超声波流量计，与国外先进水平相比还有不少差距。本论文在深入研究国内外相关参考文献和研究成果的基础上，设计了时差法六声道气体超声波流量计，提出了将多个静态波形求平均的参考波形选择方法，并进行了流量测量实验，验证超声波流量计样机的测量性能。本论文的主要研究内容和研究成果有如下几个方面:
　　1.设计了六声道气体超声波流量计。通过研究超声波流量计工作原理，研制了时差法六声道气体超声波流量计样机。样机的硬件电路采用双CPU系统结构，其中单片机负责声道切换控制、超声波换能器激发等功能，DSP由于具有更高的工作频率和A/D转换速度，主要负责超声波信号的A/D转换以及数据处理等功能，双CPU系统有效地提升超声波流量计的性能。软件方面针对双CPU系统的功能分别设计了单片机控制程序和DSP数据处理程序，同时完成了双CPU工作时的时序同步。
　　2.提出了一种将多个静态波形求平均的参考波形选择方法。超声波在气体管道中传播时信号的衰减、畸变比较严重，同时管道中气体流速、超声波换能器安装方向会进一步影响超声波信号传播，造成超声波信号的不稳定。而采用互相关算法计算渡越时间时，参考波形对计算结果至关重要。本论文对超声波信号影响因素进行深入研究后，提出了一种新的参考波形选择方法，该方法通过在静态环境下采集若干顺逆流超声波信号，对这些信号求平均，将得到的平均波形作为参考波形。与随机选择静态波形作为参考波形相比，平均参考波形能有效提高流量计渡越时间计算的精度和重复性，对流量计的性能提升有很大帮助。
　　3.搭建了流量测量实验平台，进行了流量测量实验。根据仿真结果将气体流速分为低流速区和高流速区，进行了一系列流速测量实验，采用高斯-勒让德数值积分方法和线性拟合校正方法对实验结果进行处理，并对样机的零流量、低流速和高流速实验结果进行误差分析，实验结果表明，流量计样机低流速区的相对误差在4％以内，高流速区的相对误差在2％以内。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 研究内容与意义

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究意义

1．4 论文的结构

第二章 气体超声波流量计测量方法研究

2．1 超声波流量计测量原理

2．1．1 波束偏移法

2．1．2 相关法

2．1．3 多普勒法

2．1．4 传播速度差法

2．2 渡越时间计时技术

2．2．1 过零检测法

2．2．2 互相关检测法

2．3 多声道气体超声波流量计

2．3．1 多声道气体超声波流量计测量原理

2．3．2 换能器安装方式

2．4 气体超声波流量计精度影响因素

2．5 本章小结

第三章 系统设计与软硬件设计

3．1 系统方案设计

3．2 超声波换能器选型

3．3 超声流量计测量管段设计

3．4 系统硬件设计

3．4．1 控制模块

3．4．2 超声波换能器驱动模块

3．4．3 声道切换模块

3．4．4 信号调理模块

3．4．5 数据处理模块

3．4．6 电源模块

3．5 系统软件设计

3．5．1 系统工作流程

3．5．2 微控制器程序设计

3．5．3 DSP程序设计

3．6 本章小结

第四章 基于多个静态波形的参考波形选择方法

4．1 互相关算法计算时延时参考波形的重要性

4．2 超声波信号传播时的影响因素

4．2．1 超声波换能器的影响

4．2．2 气体流速和超声波换能器朝向的影响

4．3 互相关运算时参考波形的选择方法

4．3．1 “echo method”方法概述

4．3．2 选用静态平均波形作为参考波形

4．3．3 多声道气体超声波流量计参考波形的选择

4．4 本章小结

第五章 时差法六声道气体超声波流量计实验研究

5．1 实验平台介绍

5．2 流量测量实验与数据分析

5．2．1 静态流量测量实验及结果分析

5．2．2 低流速流量测量实验及结果分析

5．2．3 高流速区流量测量实验及结果分析

5．2．4 误差分析

5．3 声道灵敏度分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要科研成果