本文關(guān)鍵詞：數(shù)字式氣體超聲波流量計信號激勵、處理與系統(tǒng)研究

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【摘要】：氣體超聲波流量計在計量精度、可靠性、壓力損失、維護費用以及制造成本等方面相對于孔板、渦輪等儀表具有獨特的優(yōu)點,尤其是在中、大口徑的管道流量測量方面,其優(yōu)越性更加明顯,在天然氣輸送領(lǐng)域,氣體超聲波流量計日趨成為最佳選擇。但是,超聲波在氣體中傳播時能量衰減嚴重,并且容易受到速度場分布和氣體壓力波動等因素的影響。另外,由于聲速與流速比小,隨著氣體流速的增加,超聲波信號的傳播路徑將產(chǎn)生偏移,這種偏移將導(dǎo)致超聲波信號不能完全達到接收換能器,造成能量的進一步衰減。上述各因素將導(dǎo)致超聲回波信號幅值非常微弱,并且波動劇烈,甚至?xí)蜎]在噪聲中,影響氣體超聲波流量計的測量精度和量程比。為此,國內(nèi)外學(xué)者建立了氣體超聲波流量計的阻尼指數(shù)衰減模型、雙曲線模型等數(shù)學(xué)模型,在滿足已定的條件下(例如,固定激勵信號或者固定流量),較為準確地反映了氣體超聲波流量計的工作特性。但是,當激勵信號發(fā)生變化或者氣體流量變化劇烈時,這些模型往往不再適用。國內(nèi)外學(xué)者采用基于Laguerre變換的自適應(yīng)濾波器、小波濾波器和多層線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)FIR濾波器等信號預(yù)處理方法,取得了較好的濾波效果。但是,普遍存在收斂速度慢、計算量過大的缺點。在回波信號處理方法方面,國外產(chǎn)品采用數(shù)字信號處理方法,獲得了較高的測量精度,但是,未披露技術(shù)細節(jié)；國內(nèi)產(chǎn)品則主要采用模擬閾值檢測的方法,測量精度較低,量程比有限,抗干擾能力較差。為此,本文搭建氣體超聲波流量計實驗平臺,進行實驗研究。該實驗平臺由兩臺DN100的氣體超聲波流量計、鼓風機、若干管道以及示波器等組成。通過大量的實驗,比較各類激勵信號的實際驅(qū)動效果,確定正弦波信號具有最佳能量傳輸比,并且與其對應(yīng)的回波信號具有最佳的信噪比和穩(wěn)定性�；诖罅繉嶒灁�(shù)據(jù),采用統(tǒng)計分析和曲線擬合的方法,建立氣體超聲波流量計在無流量和有流量情況下的能量傳遞模型,反映氣體超聲波能量的轉(zhuǎn)換效率和衰減規(guī)律。基于該能量傳遞模型,提出一種在發(fā)射電路輸出功率一定的情況下,增強激勵信號能量的方法,以增強激勵的能量,擴展量程比。提出一種基于零相位濾波器的氣體超聲波回波信號預(yù)處理方法。針對類似棗核狀時變信號的超聲波回波信號,首先進行IIR濾波器,然后將所得結(jié)果逆轉(zhuǎn)后反向進行IIR濾波器,再將所得結(jié)果逆轉(zhuǎn)輸出,這既濾除了噪聲,又盡可能地減少了由于相位延遲等原因造成的回波信號包絡(luò)形狀的改變。提出了一種跟隨回波信號峰值的可變閾值法,用于拾取特征波,計算超聲波傳播時間。由于回波信號的特征波決定超聲波傳播時間的終點,因此回波信號特征波的拾取是傳播時間差法氣體超聲波流量計實現(xiàn)的關(guān)鍵。本文根據(jù)歸一化后的回波信號的峰值及其之前的各極值近似維持不變這一特性,選擇某一適當?shù)谋戎底鳛殚撝?確定與其對應(yīng)的極值點,進而確定與其對應(yīng)的特征波,克服了傳統(tǒng)閾值法抗干擾能力弱等缺點,且運算量小,易于DSP實時實現(xiàn)。采用多零電平交點平均的方法確定超聲波傳播時間,有效地降低了計算過程中的隨機誤差；在利用多次超聲波傳播時間求取氣體流量的過程中,采用傳播時間排序加權(quán)的方法,有效地克服由于速度場分布和氣體壓力變化等因素造成的回波信號波動的影響。研制了一套基于FPGA和DSP雙核心架構(gòu)的氣體超聲波流量計信號處理單元,實時實現(xiàn)上述各種數(shù)字信號處理方法,輸出符合驅(qū)動要求的高壓激勵信號,實現(xiàn)回波信號的放大濾波與自增益控制；并與重慶川儀自動化股份有限公司提供的雙聲道四換能器直射式流量計表體組成了完整的數(shù)字式氣體超聲波流量計,實現(xiàn)了氣體流量的測量。為了驗證上述信號處理方法和系統(tǒng)的有效性,分別在重慶科學(xué)技術(shù)研究院檢測中心、重慶市計量質(zhì)量檢測研究院流量計量檢測研究中心和上海一諾儀表有限公司進行了氣體實流標定。標定結(jié)果表明,研制的DN100氣體超聲波流量計滿足JJG1030-2007中對1級精度儀表檢定規(guī)程的要求,達到了國內(nèi)氣體超聲波流量計的最高測量精度水平,而且測量的上限流量達到了1000 m3/h,超越了國內(nèi)氣體超聲流量計公司和艾默生過程管理公司旗下Daniel公司產(chǎn)品的上限流量(850 m3/h),拓寬了氣體超聲流量計的量程比。
【關(guān)鍵詞】：氣體超聲波流量計 實驗平臺 激勵信號 能量傳遞模型 數(shù)字信號處理方法 零相位濾波器 跟蹤回波信號峰值的可變閾值法 FPGA和DSP雙核芯架構(gòu) 信號處理單元 實流標定
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH814.92
【目錄】：

• 致謝9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-22
• 第一章 緒論22-36
• 1.1 引言22
• 1.2 氣體超聲波流量計簡介22-26
• 1.2.1 氣體超聲波流量計測量原理22-25
• 1.2.2 時差法氣體超聲波流量計工作原理25-26
• 1.3 氣體超聲波流量計的發(fā)展與國內(nèi)外研究概況26-27
• 1.4 氣體超聲波流量計研究方法綜述27-32
• 1.4.1 超聲波流量計模型28-29
• 1.4.2 激勵信號的設(shè)計與選擇29
• 1.4.3 回波信號處理方法29-32
• 1.5 課題來源和研究內(nèi)容32-36
• 第二章 氣體超聲波流量計激勵信號研究36-50
• 2.1 氣體超聲波流量計簡化模型36-37
• 2.2 氣體超聲波流量計實驗平臺37-40
• 2.3 激勵信號性能研究40-49
• 2.3.1 激勵信號的選擇41
• 2.3.2 實驗方法與步驟41-42
• 2.3.3 實驗結(jié)果對比和討論42-49
• 2.4 本章小結(jié)49-50
• 第三章 氣體超聲波流量計能量傳遞模型50-66
• 3.1 能量傳遞模型的結(jié)構(gòu)50-52
• 3.2 靜動態(tài)實驗52-54
• 3.2.1 靜態(tài)實驗52-54
• 3.2.2 動態(tài)實驗54
• 3.3 能量傳遞模型參數(shù)擬合54-62
• 3.3.1 靜態(tài)模型參數(shù)擬合54-60
• 3.3.2 動態(tài)模型參數(shù)擬合60-62
• 3.4 能量傳遞模型的應(yīng)用62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-66
• 第四章 氣體超聲波流量計回波信號處理方法研究66-80
• 4.1 數(shù)字信號處理過程概述66
• 4.2 基于零相位濾波器的回波信號預(yù)處理方法66-73
• 4.2.1 零相位濾波器算法原理與實現(xiàn)過程66-67
• 4.2.2 零相位濾波器與其它濾波器比較67-73
• 4.3 基于跟蹤回波信號峰值可變閾值法的回波信號特征波拾取方法73-77
• 4.3.1 可變閾值法的原理73-77
• 4.3.2 可變閾值法的容錯能力分析77
• 4.4 傳播時間差與氣體流量計算方法77-78
• 4.4.1 傳播時間差的計算方法77-78
• 4.4.2 氣體流量的計算方法78
• 4.5 本章小結(jié)78-80
• 第五章 氣體超聲波流量計信號處理單元的研制80-110
• 5.1 方案設(shè)計80-81
• 5.2 信號處理單元硬件設(shè)計81-97
• 5.2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計81-82
• 5.2.2 硬件各模塊設(shè)計82-92
• 5.2.3 氣體超聲波流量計PCB電氣結(jié)構(gòu)布局準則92-97
• 5.3 信號處理單元的軟件開發(fā)97-109
• 5.3.1 軟件的總體構(gòu)成與工作流程98
• 5.3.2 FPGA軟件開發(fā)98-103
• 5.3.3 DSP軟件開發(fā)103-109
• 5.4 本章小結(jié)109-110
• 第六章 氣體超聲波流量計實流標定110-116
• 6.1 氣體超聲波流量計標定過程110-111
• 6.1.1 各通道傳播時間修正110
• 6.1.2 零點修正110-111
• 6.1.3 儀表系數(shù)修正111
• 6.1.4 分段線性化修正111
• 6.1.5 精度等級標定111
• 6.2 正壓式標準表法氣體流量標準裝置簡介與標定結(jié)果111-112
• 6.3 負壓法臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置簡介與標定結(jié)果112-114
• 6.4 本章小結(jié)114-116
• 第七章 總結(jié)與展望116-120
• 7.1 工作總結(jié)116-118
• 7.2 展望118-120
• 參考文獻120-126
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動及成果情況126-130
• 附錄130-133

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