發(fā)布時間：2020-07-23 21:10

【摘要】：在我國,隨著天然氣使用的普及,超聲波流量計在天然氣的管道輸送和貿(mào)易結(jié)算中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)氣體流量計相比,超聲波氣體流量計具可雙向測量性、量程比高、重復(fù)性好、內(nèi)部無移動部件和幾乎無管道內(nèi)壓損等優(yōu)勢,成為氣體輸送和貿(mào)易計量的最佳選擇,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,超聲波氣體流量計也存在測量精度受到流體流動特性影響嚴(yán)重的問題。本論文針對低流速下六聲道氣體超聲波流量計采用傳統(tǒng)聲道融合算法測量誤差較大的問題,分析了采樣頻率對弦聲道渡越時間測量精度的影響,提出了采用兩個過徑聲道進(jìn)行聲道融合的方法,并通過實驗驗證了該方法可以減小低流速下超聲波流量計的測量誤差;針對中高流速下互相關(guān)法渡越時間計算出現(xiàn)的5μs分層問題(超聲波探頭的工作頻率為200kHz),提出將超聲波信號第一和第二包絡(luò)結(jié)合處波形作為參考波形的方法,并通過實驗驗證了該方法的可行性。論文的主要研究內(nèi)容和取得的成果有如下幾個方面:1.研究了低流速情況下多聲道融合問題。低流速狀態(tài)下弦聲道線平均流速很小,在采樣頻率的限制下,其渡越時間的測量分辨率不夠,導(dǎo)致常規(guī)多聲道融合方法測得的流量精度以及重復(fù)性較低。為此,論文提出在采樣頻率受限的情況下,在低流速狀態(tài)下氣體體積流量較為合理的計算方式為采用過徑聲道的雙聲道融合計算方法。2.提出了一種新的參考波形選取方法,采用第一包絡(luò)與第二包絡(luò)結(jié)合處波形作為參考波形。超聲波在氣體管道中傳播時信號的衰減、畸變比較嚴(yán)重,同時管道中氣體流速、超聲波換能器安裝方向會進(jìn)一步影響超聲波信號傳播,造成超聲波信號的不穩(wěn)定。超聲波探頭的工作頻率為200kHz時,采用互相關(guān)算法計算得到的渡越時間存在5μs分層問題。分析結(jié)果表明導(dǎo)致出現(xiàn)該問題的原因是互相關(guān)結(jié)果的最大波峰值和次大波峰值非常接近,在噪聲的作用下,最大峰值點會在相鄰的兩個波峰間波動。將第一包絡(luò)與第二包絡(luò)結(jié)合處波形作為參考波形的方法,可有效解決傳統(tǒng)參考波形選擇方法中在中高流速段渡越時間計算值出現(xiàn)5μs分層的問題。3.在實驗室的六聲道氣體超聲波流量計實驗平臺上對上述研究內(nèi)容進(jìn)行了實驗驗證,實驗結(jié)果驗證了低流速下過徑雙聲道融合算法和新型參考波形的有效性。實驗分為低流速區(qū)和中高流速區(qū),實驗結(jié)果表明:在低流速區(qū),排除流速異常點(鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速不均導(dǎo)致的氣流不穩(wěn)定)外流量計相對誤差從10%減小至3%以內(nèi),重復(fù)性由7%提高至2%以內(nèi);在中高流速區(qū),流量計相對誤差從3%減小至1.5%以內(nèi),重復(fù)性由4%提高至1%以內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH814.92
【圖文】：

換能器２逡逑圖２．１時差法測量原理圖逡逑時差法超聲波流量計的工作原理如圖２．１：上游換能器１發(fā)射超聲波信號，逡逑下游換能器２接收超聲波信號，測出超聲波信號從換能器１到換能器２的傳播時逡逑間為順流傳播時間下游游換能器２發(fā)射超聲波信號，上游換能器］接收超逡逑聲波信號，測出超聲波信號從換能器２到換能器１的傳播時間為逆流傳播時間逡逑通過測量超聲波順、逆流傳播的渡越時間計算流體流速［２Ｗ２］。逡逑超聲波在流體中傳播的順流渡越時間為：逡逑（２＿１）逡逑逆流渡越時間為：逡逑＝邋（２＇２）逡逑９逡逑

２．２．１過零檢測法逡逑過零檢測技術(shù)經(jīng)常和閾值檢測技術(shù)結(jié)合使用，當(dāng)信號的幅值超過預(yù)先設(shè)定的逡逑閾值時，啟動過零檢測電路對信號的過零點進(jìn)行檢測。其工作原理可以用圖２．２逡逑來說明。圖中的虛線為事先設(shè)定的閾值，當(dāng)超聲波接收信號幅值達(dá)到閾值時，開逡逑啟過零檢測，圖中所標(biāo)示的黑點即為所檢測的過零點，將該點作為超聲波接收信逡逑號的到達(dá)時刻。從超聲波激發(fā)到該時刻的時間成為超吉波的渡越時間。在氣體中逡逑１０逡逑

以ｋ＝＇逡逑Ｊ？ＳｉＳ：（0為互相關(guān)計算結(jié)果。當(dāng)ｉ？Ｖ２（ｒ）取最大值時，最大值對應(yīng)的ｔ為信號逡逑Ｓ１＊Ｓ２之間的時延。圖２．３為互相關(guān)計算渡越時間的原理圖：逡逑傘逡逑痛＞邐ｈ－ｉ逡逑＾，．邋（ｉ；ｈ邐＾邋４邋Ｉｆｃ邋．逡逑圖２．３互相關(guān)算法原理逡逑在進(jìn)行渡越時間計算時，首先在靜態(tài)環(huán)境下采集超聲波信號作為參考波形，逡逑然后將超聲波接收信號與參考波形進(jìn)行互相關(guān)運算，計算它們的時延。圖２．３中，逡逑（１）為參考波形。當(dāng)流量計工作時，首先延時一段時間Ｔ，然后采集到接收波逡逑形如（２），將參考波形和接收波形做互相關(guān)運算得到互相關(guān)函數(shù)的波形如（３）。逡逑互相關(guān)計算結(jié)果中最大值對應(yīng)的點＆就是時延。由于信號在接收之前延時了時逡逑間Ｔ，因此，實際渡越時間為（Ｔ＋ＡＯ。．逡逑在高流速下，管道中氣體流動對超聲波的調(diào)制作用非常強，噪聲千擾非逡逑常嚴(yán)重。在不同的流速下

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