基于回波能量积分的气体超声波流量计信号处理方法研究与实现

发布时间：2020-09-27 19:42

　　 与传统孔板、涡街、涡轮流量计相比,气体超声波流量计具有较高的测量准确度和测量重复性。特别是在大口径天然气管道的流量测量方面,其优势更加明显。但是,由于超声波信号在气体中传播时,能量衰减严重。随着气体流速的增加,回波信号幅值变小,信噪比降低,容易受噪声干扰,导致气体超声波流量计的测量准确度和测量范围都受到限制。为此,本文从对回波能量积分的角度,得出了回波信号能量的变化规律,提出了一种基于回波能量积分的信号处理方法,以及相应的参数选取方法,准确地找到回波信号的特征点,进而计算得到超声波信号的顺、逆流的传播时间,完成气体流量的测量。通过仿真实验模拟了所述信号处理方法在噪声流和脉动流情况下的抗干扰能力,说明了方法具有较高的容错性,对回波信号频带之中的噪声有一定的抑制效果。在基于 DSP(Digital Signal Processor)和 FPGA(Field Programmable Gate Array)的双核心系统上,实时实现了上述信号处理方法,有效地提高了测量的准确度,扩宽了可测流量的范围。为了验证信号处理方法和研制系统的有效性,在安徽省计量科学研究院进行了实验标定。标定结果表明,基于回波能量积分的双声道气体超声波流量计,示值误差和重复性都满足国家标准对1级准确度的气体超声波流量计的要求。研制的系统不仅具有较高的实时性,并且,最大可测流量达到1200 m3/h,量程比达到1:120,有效地扩宽了气体超声波流量计的测量范围。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH814.92
【部分图文】：

逡逑图１．邋１气体超声波流量计一次仪表实物图逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｇａｓ邋ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逡逑Ｉ邋３逦－邋＼逦逦１逡逑图１．２邋—次仪表剖面结构图逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逡逑超声波换能器的工作过程是：通过激励信号的驱动后，超声波换能器会发射逡逑出超声波信号，而在同一声道中相对的超声波换能器在一段时间后接收到该超声逡逑波信号，将其转换成电信号，即超声波回波信号，为后续的流速计算提供依据。逡逑本文所述的双声道气体超声波流量计的一次仪表中，４个换能器采用“直射式”的分逡逑布，其型号是ＡＩＲＭＡＲ公司的收发两用型ＡＴ２００换能器［ｎ］。其中心频率，即最佳逡逑的工作频率为２００邋ｋＨｚ。其中，换能器Ａ和换能器Ｄ组成第一个声道；换能器Ｂ逡逑和换能器Ｃ组成第二个声道。声道布置图如图１．３所示。逡逑２逡逑

Ｆｉｇ邋１．１邋Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｇａｓ邋ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逡逑Ｉ邋３逦－邋＼逦逦１逡逑图１．２邋—次仪表剖面结构图逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逡逑超声波换能器的工作过程是：通过激励信号的驱动后，超声波换能器会发射逡逑出超声波信号，而在同一声道中相对的超声波换能器在一段时间后接收到该超声逡逑波信号，将其转换成电信号，即超声波回波信号，为后续的流速计算提供依据。逡逑本文所述的双声道气体超声波流量计的一次仪表中，４个换能器采用“直射式”的分逡逑布，其型号是ＡＩＲＭＡＲ公司的收发两用型ＡＴ２００换能器［ｎ］。其中心频率，即最佳逡逑的工作频率为２００邋ｋＨｚ。其中，换能器Ａ和换能器Ｄ组成第一个声道；换能器Ｂ逡逑和换能器Ｃ组成第二个声道。声道布置图如图１．３所示。逡逑２逡逑

Ｆｉｇ邋１．３邋Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逡逑１．３所示，在测量过程中，同一声道的换能器既可以接收又可以一次完整的测量过程，即得到一个双声道测量的流量结果，包接收，即首先Ａ发射Ｄ接收，然后，Ｄ发射Ａ接收；再次ＣＢ发射Ｃ接收。该过程的４次激励换能器和４次接收回波信号和接收，然后再进行信号处理，获得气体的流速及流量。逡逑量原理逡逑超声波流量计的主要测量原理有多普勒效应法［１４］、相关法［１５’１６］温度等各种影响因素较小，效果好，应用最为广泛。其测量原所示。当管道内没有气体流过时，气体流速ｖ等于０。超声波的速的干扰，因为声道距离Ｚ是一定的，所以，超声波信号由Ａ时间是一样的；当气体流过时，气体流速ｖ不等于０。气体流向器Ａ在上游，换能器Ｄ在下游。由Ａ到Ｄ的超声波传播路径上体流速的分量，那么，超声波就会加速传播，对应的传播时间

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本文编号：2828290