数字式气体超声波流量计信号激励、处理与系统研究

发布时间：2017-07-20 00:12

  本文关键词：数字式气体超声波流量计信号激励、处理与系统研究

  更多相关文章： 气体超声波流量计 实验平台 激励信号 能量传递模型 数字信号处理方法 零相位滤波器 跟踪回波信号峰值的可变阈值法 FPGA和DSP双核芯架构 信号处理单元 实流标定

【摘要】：气体超声波流量计在计量精度、可靠性、压力损失、维护费用以及制造成本等方面相对于孔板、涡轮等仪表具有独特的优点,尤其是在中、大口径的管道流量测量方面,其优越性更加明显,在天然气输送领域,气体超声波流量计日趋成为最佳选择。但是,超声波在气体中传播时能量衰减严重,并且容易受到速度场分布和气体压力波动等因素的影响。另外,由于声速与流速比小,随着气体流速的增加,超声波信号的传播路径将产生偏移,这种偏移将导致超声波信号不能完全达到接收换能器,造成能量的进一步衰减。上述各因素将导致超声回波信号幅值非常微弱,并且波动剧烈,甚至会淹没在噪声中,影响气体超声波流量计的测量精度和量程比。为此,国内外学者建立了气体超声波流量计的阻尼指数衰减模型、双曲线模型等数学模型,在满足已定的条件下(例如,固定激励信号或者固定流量),较为准确地反映了气体超声波流量计的工作特性。但是,当激励信号发生变化或者气体流量变化剧烈时,这些模型往往不再适用。国内外学者采用基于Laguerre变换的自适应滤波器、小波滤波器和多层线性神经网络的自适应FIR滤波器等信号预处理方法,取得了较好的滤波效果。但是,普遍存在收敛速度慢、计算量过大的缺点。在回波信号处理方法方面,国外产品采用数字信号处理方法,获得了较高的测量精度,但是,未披露技术细节；国内产品则主要采用模拟阈值检测的方法,测量精度较低,量程比有限,抗干扰能力较差。为此,本文搭建气体超声波流量计实验平台,进行实验研究。该实验平台由两台DN100的气体超声波流量计、鼓风机、若干管道以及示波器等组成。通过大量的实验,比较各类激励信号的实际驱动效果,确定正弦波信号具有最佳能量传输比,并且与其对应的回波信号具有最佳的信噪比和稳定性。基于大量实验数据,采用统计分析和曲线拟合的方法,建立气体超声波流量计在无流量和有流量情况下的能量传递模型,反映气体超声波能量的转换效率和衰减规律。基于该能量传递模型,提出一种在发射电路输出功率一定的情况下,增强激励信号能量的方法,以增强激励的能量,扩展量程比。提出一种基于零相位滤波器的气体超声波回波信号预处理方法。针对类似枣核状时变信号的超声波回波信号,首先进行IIR滤波器,然后将所得结果逆转后反向进行IIR滤波器,再将所得结果逆转输出,这既滤除了噪声,又尽可能地减少了由于相位延迟等原因造成的回波信号包络形状的改变。提出了一种跟随回波信号峰值的可变阈值法,用于拾取特征波,计算超声波传播时间。由于回波信号的特征波决定超声波传播时间的终点,因此回波信号特征波的拾取是传播时间差法气体超声波流量计实现的关键。本文根据归一化后的回波信号的峰值及其之前的各极值近似维持不变这一特性,选择某一适当的比值作为阈值,确定与其对应的极值点,进而确定与其对应的特征波,克服了传统阈值法抗干扰能力弱等缺点,且运算量小,易于DSP实时实现。采用多零电平交点平均的方法确定超声波传播时间,有效地降低了计算过程中的随机误差；在利用多次超声波传播时间求取气体流量的过程中,采用传播时间排序加权的方法,有效地克服由于速度场分布和气体压力变化等因素造成的回波信号波动的影响。研制了一套基于FPGA和DSP双核心架构的气体超声波流量计信号处理单元,实时实现上述各种数字信号处理方法,输出符合驱动要求的高压激励信号,实现回波信号的放大滤波与自增益控制；并与重庆川仪自动化股份有限公司提供的双声道四换能器直射式流量计表体组成了完整的数字式气体超声波流量计,实现了气体流量的测量。为了验证上述信号处理方法和系统的有效性,分别在重庆科学技术研究院检测中心、重庆市计量质量检测研究院流量计量检测研究中心和上海一诺仪表有限公司进行了气体实流标定。标定结果表明,研制的DN100气体超声波流量计满足JJG1030-2007中对1级精度仪表检定规程的要求,达到了国内气体超声波流量计的最高测量精度水平,而且测量的上限流量达到了1000 m3/h,超越了国内气体超声流量计公司和艾默生过程管理公司旗下Daniel公司产品的上限流量(850 m3/h),拓宽了气体超声流量计的量程比。
【关键词】：气体超声波流量计 实验平台 激励信号 能量传递模型 数字信号处理方法 零相位滤波器 跟踪回波信号峰值的可变阈值法 FPGA和DSP双核芯架构 信号处理单元 实流标定
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH814.92
【目录】：

• 致谢9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-22
• 第一章 绪论22-36
• 1.1 引言22
• 1.2 气体超声波流量计简介22-26
• 1.2.1 气体超声波流量计测量原理22-25
• 1.2.2 时差法气体超声波流量计工作原理25-26
• 1.3 气体超声波流量计的发展与国内外研究概况26-27
• 1.4 气体超声波流量计研究方法综述27-32
• 1.4.1 超声波流量计模型28-29
• 1.4.2 激励信号的设计与选择29
• 1.4.3 回波信号处理方法29-32
• 1.5 课题来源和研究内容32-36
• 第二章 气体超声波流量计激励信号研究36-50
• 2.1 气体超声波流量计简化模型36-37
• 2.2 气体超声波流量计实验平台37-40
• 2.3 激励信号性能研究40-49
• 2.3.1 激励信号的选择41
• 2.3.2 实验方法与步骤41-42
• 2.3.3 实验结果对比和讨论42-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 气体超声波流量计能量传递模型50-66
• 3.1 能量传递模型的结构50-52
• 3.2 静动态实验52-54
• 3.2.1 静态实验52-54
• 3.2.2 动态实验54
• 3.3 能量传递模型参数拟合54-62
• 3.3.1 静态模型参数拟合54-60
• 3.3.2 动态模型参数拟合60-62
• 3.4 能量传递模型的应用62-63
• 3.5 本章小结63-66
• 第四章 气体超声波流量计回波信号处理方法研究66-80
• 4.1 数字信号处理过程概述66
• 4.2 基于零相位滤波器的回波信号预处理方法66-73
• 4.2.1 零相位滤波器算法原理与实现过程66-67
• 4.2.2 零相位滤波器与其它滤波器比较67-73
• 4.3 基于跟踪回波信号峰值可变阈值法的回波信号特征波拾取方法73-77
• 4.3.1 可变阈值法的原理73-77
• 4.3.2 可变阈值法的容错能力分析77
• 4.4 传播时间差与气体流量计算方法77-78
• 4.4.1 传播时间差的计算方法77-78
• 4.4.2 气体流量的计算方法78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 气体超声波流量计信号处理单元的研制80-110
• 5.1 方案设计80-81
• 5.2 信号处理单元硬件设计81-97
• 5.2.1 硬件总体结构设计81-82
• 5.2.2 硬件各模块设计82-92
• 5.2.3 气体超声波流量计PCB电气结构布局准则92-97
• 5.3 信号处理单元的软件开发97-109
• 5.3.1 软件的总体构成与工作流程98
• 5.3.2 FPGA软件开发98-103
• 5.3.3 DSP软件开发103-109
• 5.4 本章小结109-110
• 第六章 气体超声波流量计实流标定110-116
• 6.1 气体超声波流量计标定过程110-111
• 6.1.1 各通道传播时间修正110
• 6.1.2 零点修正110-111
• 6.1.3 仪表系数修正111
• 6.1.4 分段线性化修正111
• 6.1.5 精度等级标定111
• 6.2 正压式标准表法气体流量标准装置简介与标定结果111-112
• 6.3 负压法临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置简介与标定结果112-114
• 6.4 本章小结114-116
• 第七章 总结与展望116-120
• 7.1 工作总结116-118
• 7.2 展望118-120
• 参考文献120-126
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况126-130
• 附录130-133

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘波,李宏运;能源计量及超声波流量计的应用[J];区域供热;2001年04期

2 余立川,孙江;超声波流量计在污水处理工艺中的应用[J];自动化与仪器仪表;2001年05期

3 董浩然;超声波流量计的选型及应用[J];工业计量;2002年02期

4 石利琴;超声波流量计的应用[J];计量技术;2002年04期

5 王秀瑛;超声波流量计的原理及应用[J];山西建筑;2002年04期

6 乐勇;超声波流量计在制盐生产中的应用[J];石油化工自动化;2002年06期

7 马文安;影响便携式超声波流量计测量精度的因素分析[J];太原科技;2002年01期

8 陈启兵;蒋日明;陈幸粟;;超声波流量计的安装和使用[J];工业计量;2002年S1期

9 郑宝昌,李培清,齐畅;超声波流量计双向流计量研究[J];工业用水与废水;2003年02期

10 陈晓燕,韩君,孔昭文,张沈彬;超声波流量计测量精度的修正与探讨[J];内蒙古电力技术;2003年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 何明武;张民理;;超声波流量计测量误差分析与校验[A];企业计量测试与质量管理——中国科协2005年学术年会论文集[C];2005年

2 白建华;刘福泉;;多普勒超声波流量计在宣钢红泥测量中的应用[A];河北冶金学会炼铁技术暨学术年会论文集[C];2006年

3 魏洁;;超声波流量计在流量计现场检测中的的应用[A];江苏省计量测试学会2006年论文集[C];2006年

4 邵起超;;浅谈超声波流量计在铁路给水中的运用[A];第十届中国科协年会中部地区物流产业体系建设论坛专辑[C];2008年

5 容显政;解禾;黄宇飞;;用于环保的超声波流量计[A];2000电子产品防护技术研讨会论文集[C];2004年

6 黄雪莲;;便携式双声道超声波流量计在线检测的常见问题[A];江苏计量测试学术论文集（2009）[C];2009年

7 刘连伟;黄艳;匡美珍;;三峡电厂超声波流量计介绍[A];中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2009年年会暨学术交流会论文集[C];2009年

8 周济人;杨华;成立;汤方平;;超声波流量计测试大型低扬程泵流量的模型试验[A];2009全国大型泵站更新改造研讨暨新技术、新产品交流大会论文集[C];2009年

9 刘季霖;胡亮;傅新;;基于使能窗技术的时差式超声波流量计[A];中国仪器仪表学会第十一届青年学术会议论文集[C];2009年

10 谢海;陈尚松;;超声波流量计中高精度时间测量技术研究[A];2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前9条

1 刘久光;华中输气攻克超声波流量计温度死机[N];中国石油报;2008年

2 郭志杰;美国通用公司气体超声波流量计进入中国[N];中国石油报;2006年

3 记者 罗建东　通讯员 王拥军;新型超声波流量计落户鄯善油田[N];中国石油报;2009年

4 大同市热力有限公司 梁文;超声波流量计在热力行业的应用[N];山西科技报;2003年

5 特约记者 南洁　通讯员 马瑾;苏里格气田首次应用气体超声波流量计[N];中国石油报;2011年

6 霍殿中;超声波流量计测量技术[N];中国水利报;2003年

7 ;十年磨一剑　建恒一飞冲天[N];民营经济报;2006年

8 刘红艳;石焦集团大井水实现远程监测[N];中国冶金报;2004年

9 记者 孙世超　通讯员 王金鹏;干部争相联系企业送服务[N];威海日报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 方敏;数字式气体超声波流量计信号激励、处理与系统研究[D];合肥工业大学;2015年

2 鲍敏;影响气体超声波流量计计量精度的主要因素研究[D];浙江大学;2004年

3 王雪峰;基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究[D];大连理工大学;2011年

4 刘永辉;圆管过渡区流速特性的研究[D];山东大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 何青;基于嵌入式系统的超声波流量计设计[D];武汉理工大学;2005年

2 陈静;超声波流量计的研制[D];西安科技大学;2004年

3 杨泽;非满管超声波流量计的研究[D];浙江大学;2015年

4 饶俊华;用于气体超声波流量计的积算仪研发[D];浙江大学;2015年

5 陈炜刚;气体超声波流量计非理想流场分析与补偿方法[D];浙江大学;2015年

6 黎裕熙;基于结构与流场分析的超声波流量计结构设计[D];浙江大学;2015年

7 曹译恒;多声道超声波流量计的设计与实验研究[D];河南工业大学;2015年

8 杨志辉;高速气体超声波流量计的研究[D];东华理工大学;2014年

9 汪伟;基于可变阈值过零检测的气体超声波流量计信号处理方法与实现[D];合肥工业大学;2015年

10 夏子青;低功耗气超声流量计的换能器激发接收电路研究[D];浙江大学;2016年

，

本文编号：565445