时差法互相关气体超声波流量计低流速计算及参考波形研究

发布时间：2020-07-23 21:10

【摘要】：在我国,随着天然气使用的普及,超声波流量计在天然气的管道输送和贸易结算中得到广泛应用。与传统气体流量计相比,超声波气体流量计具可双向测量性、量程比高、重复性好、内部无移动部件和几乎无管道内压损等优势,成为气体输送和贸易计量的最佳选择,具有广阔的应用前景。但是,超声波气体流量计也存在测量精度受到流体流动特性影响严重的问题。本论文针对低流速下六声道气体超声波流量计采用传统声道融合算法测量误差较大的问题,分析了采样频率对弦声道渡越时间测量精度的影响,提出了采用两个过径声道进行声道融合的方法,并通过实验验证了该方法可以减小低流速下超声波流量计的测量误差;针对中高流速下互相关法渡越时间计算出现的5μs分层问题(超声波探头的工作频率为200kHz),提出将超声波信号第一和第二包络结合处波形作为参考波形的方法,并通过实验验证了该方法的可行性。论文的主要研究内容和取得的成果有如下几个方面:1.研究了低流速情况下多声道融合问题。低流速状态下弦声道线平均流速很小,在采样频率的限制下,其渡越时间的测量分辨率不够,导致常规多声道融合方法测得的流量精度以及重复性较低。为此,论文提出在采样频率受限的情况下,在低流速状态下气体体积流量较为合理的计算方式为采用过径声道的双声道融合计算方法。2.提出了一种新的参考波形选取方法,采用第一包络与第二包络结合处波形作为参考波形。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。超声波探头的工作频率为200kHz时,采用互相关算法计算得到的渡越时间存在5μs分层问题。分析结果表明导致出现该问题的原因是互相关结果的最大波峰值和次大波峰值非常接近,在噪声的作用下,最大峰值点会在相邻的两个波峰间波动。将第一包络与第二包络结合处波形作为参考波形的方法,可有效解决传统参考波形选择方法中在中高流速段渡越时间计算值出现5μs分层的问题。3.在实验室的六声道气体超声波流量计实验平台上对上述研究内容进行了实验验证,实验结果验证了低流速下过径双声道融合算法和新型参考波形的有效性。实验分为低流速区和中高流速区,实验结果表明:在低流速区,排除流速异常点(鼓风机转速不均导致的气流不稳定)外流量计相对误差从10%减小至3%以内,重复性由7%提高至2%以内;在中高流速区,流量计相对误差从3%减小至1.5%以内,重复性由4%提高至1%以内。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH814.92
【图文】：

时差法,测量原理,换能器,超声波信号

换能器２逡逑图２．１时差法测量原理图逡逑时差法超声波流量计的工作原理如图２．１：上游换能器１发射超声波信号，逡逑下游换能器２接收超声波信号，测出超声波信号从换能器１到换能器２的传播时逡逑间为顺流传播时间下游游换能器２发射超声波信号，上游换能器］接收超逡逑声波信号，测出超声波信号从换能器２到换能器１的传播时间为逆流传播时间逡逑通过测量超声波顺、逆流传播的渡越时间计算流体流速［２Ｗ２］。逡逑超声波在流体中传播的顺流渡越时间为：逡逑（２＿１）逡逑逆流渡越时间为：逡逑＝邋（２＇２）逡逑９逡逑

过零检测,超声波,高流速,技术原理

２．２．１过零检测法逡逑过零检测技术经常和阈值检测技术结合使用，当信号的幅值超过预先设定的逡逑阈值时，启动过零检测电路对信号的过零点进行检测。其工作原理可以用图２．２逡逑来说明。图中的虚线为事先设定的阈值，当超声波接收信号幅值达到阈值时，开逡逑启过零检测，图中所标示的黑点即为所检测的过零点，将该点作为超声波接收信逡逑号的到达时刻。从超声波激发到该时刻的时间成为超吉波的渡越时间。在气体中逡逑１０逡逑

原理图,互相关算法,原理,互相关

以ｋ＝＇逡逑Ｊ？ＳｉＳ：（0为互相关计算结果。当ｉ？Ｖ２（ｒ）取最大值时，最大值对应的ｔ为信号逡逑Ｓ１＊Ｓ２之间的时延。图２．３为互相关计算渡越时间的原理图：逡逑伞逡逑痛＞逦ｈ－ｉ逡逑＾，．邋（ｉ；ｈ逦＾邋４邋Ｉｆｃ邋．逡逑图２．３互相关算法原理逡逑在进行渡越时间计算时，首先在静态环境下采集超声波信号作为参考波形，逡逑然后将超声波接收信号与参考波形进行互相关运算，计算它们的时延。图２．３中，逡逑（１）为参考波形。当流量计工作时，首先延时一段时间Ｔ，然后采集到接收波逡逑形如（２），将参考波形和接收波形做互相关运算得到互相关函数的波形如（３）。逡逑互相关计算结果中最大值对应的点＆就是时延。由于信号在接收之前延时了时逡逑间Ｔ，因此，实际渡越时间为（Ｔ＋ＡＯ。．逡逑在高流速下，管道中气体流动对超声波的调制作用非常强，噪声千扰非逡逑常严重。在不同的流速下

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