气体超声波流量计高压驱动与信号处理技术研究
发布时间：2020-07-07 06:27
【摘要】：天然气是一种清洁高效的能源,随着我国能源结构的优化,中国的天然气市场正处于一个飞速发展的时期。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、无压损、量程比大等优点从众多气体流量计中脱颖而出,在天然气贸易计量中得到广泛应用。然而我国在该领域的起步较晚,在关键技术上的研究不够成熟,目前在大中型输气管道和调压门站采用的都是国外产品,因此研发国产高精度气体超声波流量计具有重大意义。本论文查阅了大量相关的国内外文献,对气体超声波流量计技术进行了概述分析,在此基础上针对高流速下超声波接收信号信噪比低和波形畸变造成的渡越时间测量不准确问题开展了研究。论文主要的工作和创新点如下:1.设计了高压驱动的气体超声波流量计样机。高压驱动模块设计了三级驱动电压放大电路,产生最高可达±70V的驱动电压,相比之前±12V的驱动电压,从源头上提高了超声波信号的能量。信号调理模块设计了四级信号处理电路,包括可编程增益模块,在高流速情况下可自动调整增益大小,确保超声波接收信号具有较高的信噪比。2.提高了超声波信号的采样频率,从而提高了渡越时间测量的分辨率。互相关算法计算结果的精确度与采样频率有关,采样频率越高,计算结果越准确。本论文对DSP芯片内部资源进行了合理的分配,在满足测量所需资源的基础上尽可能把采样频率提高。通过实验验证,6MHz的采样频率已达到该DSP内部资源的上限,因此将本样机系统的采样频率设置为6MHz,相比于4MHz的采样频率,渡越时间分辨率提高了 33.3%。3.研究了不同激发波形模态对超声波信号互相关函数波形形态的影响,确定了本流量计系统理想的激发波形模态。互相关函数波形形态对渡越时间计算精度影响最大的地方在于最大值点和相邻极大值点之间的纵坐标差,本论文采用相位翻转的方波序列组合波形作为激发波形,以最大值点和相邻极大值点之间的纵坐标差的大小作为性能评价指标,通过实验确定了理想的组合波形作为本流量计系统的激发波形。该理想的激发波形模态相比其余激发波形模态显著增大了互相关函数最大值点和相邻极大值点之间的纵坐标差,具有较强的抗最大值点波动的能力,有利于提升渡越时间计算的稳定性和准确性。4.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。该方法选取整个互相关函数波形包络正值递增区间中相邻极大值差最大的两个极大值点,把其中幅值较大的极大值点作为特征点来计算渡越时间。在从低流速到高流速的整个测量区间中,该特征点在互相关函数波形包络的位置相对稳定,且相比于最大值点,该点与相邻极大值点之间有更大的纵坐标差,提高了渡越时间测量的重复性。最后,基于上述研究,搭建了实验平台并开展了实验验证和相对误差、重复性测试,实验结果验证了本论文所提出方法的有效性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH814
【图文】：
顺逆流传播速度中包含着气体流速信息。传播速度差法就是利用顺逆流传播的超逡逑声波信号传播速度不同从而根据数学公式计算出气体流速，进而检测气体流量的。逡逑传播速度差法原理示意图如图２．１所示。逡逑超声波换能器１逡逑ｙ、逡逑超声波换能器２逡逑图２．１传播速度差法原理示意图逡逑其中，超声波换能器１和２分别布置在管道的上下游，既可作为发射换能器逡逑来产生超声波信号，也可作为接收换能器接收超声波信号，两个超声波换能器之逡逑间构成一个超声波信号传播声道，ｖ为气体流速，Ｚ为声道长度，０为声道与管逡逑道轴向夹角，ｃ／为管道内径，为逆流方向，ｒｆ0Ｗ／７为顺流方向。根据直接检测逡逑量的不同，传播速度差法可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法凭借逡逑其实现简单，测量精度高等优点在气体超声波流量计领域应用得最广。逡逑时差法直接检测的是超声波信号在声道的渡越时间（也即传播时间），受气逡逑体流速的调制
质的温度和压力一定时，超声波声速ｃ是一定的，而在气体体流速一般远小于超声波声速，即存在ｃ２？ｖ２邋ｃｏｓ２l挘颍矗┧尽ｅ义希玻体澹悖铮箦澹瑰义稀蓿觯沐义隙稍绞奔洳钣肫辶魉俪上咝怨叵担墒剑ǎ玻矗┘纯汕蟪銎澹ǎ玻担┧尽ｅ义希悖玻停鲥澹垮危玻蹋悖铮箦錶掑义铣龀ㄋ衬媪鞫稍绞奔洳睿憧筛菔剑ǎ玻担┣蟪銎辶魉伲郏矗罚荨ｅ义匣谒婊痰南喙乩砺郏ü侗鸪銎逅婊鞫肷偶扑愕贸銎辶魉伲玫搅髁康姆椒āＯ喙胤ㄔ硎疽
本文编号：2744769
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH814
【图文】：
顺逆流传播速度中包含着气体流速信息。传播速度差法就是利用顺逆流传播的超逡逑声波信号传播速度不同从而根据数学公式计算出气体流速，进而检测气体流量的。逡逑传播速度差法原理示意图如图２．１所示。逡逑超声波换能器１逡逑ｙ、逡逑超声波换能器２逡逑图２．１传播速度差法原理示意图逡逑其中，超声波换能器１和２分别布置在管道的上下游，既可作为发射换能器逡逑来产生超声波信号，也可作为接收换能器接收超声波信号，两个超声波换能器之逡逑间构成一个超声波信号传播声道，ｖ为气体流速，Ｚ为声道长度，０为声道与管逡逑道轴向夹角，ｃ／为管道内径，为逆流方向，ｒｆ0Ｗ／７为顺流方向。根据直接检测逡逑量的不同，传播速度差法可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法凭借逡逑其实现简单，测量精度高等优点在气体超声波流量计领域应用得最广。逡逑时差法直接检测的是超声波信号在声道的渡越时间（也即传播时间），受气逡逑体流速的调制
质的温度和压力一定时，超声波声速ｃ是一定的，而在气体体流速一般远小于超声波声速，即存在ｃ２？ｖ２邋ｃｏｓ２l挘颍矗┧尽ｅ义希玻体澹悖铮箦澹瑰义稀蓿觯沐义隙稍绞奔洳钣肫辶魉俪上咝怨叵担墒剑ǎ玻矗┘纯汕蟪銎澹ǎ玻担┧尽ｅ义希悖玻停鲥澹垮危玻蹋悖铮箦錶掑义铣龀ㄋ衬媪鞫稍绞奔洳睿憧筛菔剑ǎ玻担┣蟪銎辶魉伲郏矗罚荨ｅ义匣谒婊痰南喙乩砺郏ü侗鸪銎逅婊鞫肷偶扑愕贸銎辶魉伲玫搅髁康姆椒āＯ喙胤ㄔ硎疽
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