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基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究

作　者: 王雪峰
导　师: 唐祯安
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 超声波检测流量计模拟仿真驱动技术自适应计时算法
分类号: TH814.92
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文从时差法气体超声波流量计的工作原理出发,对引起检测误差的各种因素进行了系统分析,并对其中的关键因素：换能器安装效应、流场适应性问题、脉冲驱动技术和传播时间检测方法进行了重点研究。结合理论研究成果,本文探讨了克服时差法气体超声波流量计检测误差的具体方法并研制了一款新型气体超声波流量计。针对换能器安装效应和流场适应性问题,本文研究了换能器安装角度、声道布置、弯管角度、雷诺数、管道直径、管壁粗糙度以及超声波流量计安装位置与流量检测精度之间的关系,得到了不同影响因素的误差容限表。这些工作为时差法气体超声波流量计流场适应性问题的准确度量提供了可以量化评估的标准。本文将相位、幅值调制技术引入驱动波形设计,通过严格控制脉冲间隔时间、合理选择相位、幅值调制脉冲波形,生成了具有信噪比自检特征的自干涉驱动波。实验结果显示,新的驱动波形可以通过相位检测的方法计算超声波信号的传输时间,并能够依据包络线过零点之间的时间间隔特征区别接收信号的信噪比状态。设计了基于接收信号高、低信噪比条件的实时信号自适应计时算法。其中,自干涉过零点追踪计时算法利用脉宽检测的方法规避了噪声对包络线过零点的干扰与破坏。时间移位叠加计时算法通过提高接收信号中有用信号的强度增强了接收信号的信噪比,克服了噪声干扰的影响。利用Labview与Simulink搭建仿真平台,对多种驱动波形及计时检测方法进行比较。仿真结果表明,本文研制的自干涉驱动波及自适应计时算法扩展了传统时差法气体超声波流量计的检测范围,能在不同信噪比条件下对信号传播时间进行准确测量。研制了基于自干涉驱动波及自适应计时算法的单声道气体超声波流量计样机。利用超声波测距平台对计时算法的有效性进行了实验研究。结果表明：自适应计时算法能够根据检测条件的差异自动地选择合适的算法完成时间检测功能,该技术极大地提高了超声波传输时间检测的准确性及稳定性。此外,依据国家标准及美国气体工业联合会(American Gas Association, A.G.A.)9号报告,本文还利用实流标定系统对样机进行了零流量检定及实流标定。零流量检定结果显示,样机在气体无流动状态下的检测结果满足9号报告对气体超声波流量计在零流量情况下的检测要求。现场实流标定结果表明系统运行稳定,使用流量加权平均误差系数(Flow Weight Mean Error, FWME)对实流标定结果进行修正后,系统能在宽量程比条件下进行高精度流量检测。

全文目录

摘要  4-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-29
  1.1 流体测量及流量计发展  9-11
  1.2 超声波流量计  11-15
    1.2.1 超声波流量计发展概述  11-12
    1.2.2 气体超声波流量计概述  12-13
    1.2.3 超声波流量计的分类方法  13-15
  1.3 影响测量精度的主要因素及研究现状  15-26
    1.3.1 超声波换能器安装效应及流场适应性问题  16-21
    1.3.2 流体中超声波信号的传输问题  21-23
    1.3.3 超声波信号传播时间的检测问题  23-26
  1.4 本文的研究意义及内容  26-29
2 时差法气体超声波流量计测量误差机理分析  29-44
  2.1 引言  29
  2.2 时差法气体超声波流量计概述  29-35
    2.2.1 检测原理  29-31
    2.2.2 测量误差的分类与量化方法  31-35
  2.3 降低检测误差的现有研究方法  35-43
    2.3.1 降低流场适应性问题引入的检测误差  35-37
    2.3.2 降低计时算法引入的检测误差  37-41
    2.3.3 降低噪声干扰对检测精度的影响  41-43
  2.4 本章小结  43-44
3 安装效应及流场适应性研究  44-65
  3.1 引言  44
  3.2 理想流动条件下的流量计流场适应性研究  44-55
    3.2.1 充分发展的层流与湍流  45-47
    3.2.2 换能器安装角度与流场修正系数的关系  47-51
    3.2.3 传输声道布置与流场修正系数的关系  51-55
  3.3 实际流动条件下的流量计流场适应性研究  55-64
    3.3.1 弯管对单声道气体超声波流量计的影响  55-62
    3.3.2 管壁粗糙度对流场的影响  62-64
  3.4 本章小结  64-65
4 波形驱动及实时信号处理技术的优化设计  65-93
  4.1 引言  65
  4.2 超声波驱动技术的优化设计  65-71
    4.2.1 基于相位、幅值调制的自干涉驱动波  65-69
    4.2.2 对自干涉驱动波的二次优化设计  69-71
  4.3 超声波信号实时处理方法的优化设计  71-79
    4.3.1 基于高信噪比的自干涉过零点追踪方法  71-74
    4.3.2 基于低信噪比的时间移位叠加方法  74-78
    4.3.3 基于不同信噪比条件的实时信号自适应处理方法  78-79
  4.4 驱动波形与计时检测方法的仿真实验  79-92
    4.4.1 创建超声波检测系统仿真模型  80-85
    4.4.2 软件仿真平台设计及功能  85-88
    4.4.3 仿真结果汇总与比较  88-92
  4.5 本章小结  92-93
5 气体超声波流量计的二次仪表设计及样机试验  93-116
  5.1 引言  93
  5.2 超声波换能器的选型  93-94
  5.3 系统方案设计与硬件实现  94-98
    5.3.1 系统硬件架构  94-95
    5.3.2 DSP功能设计  95-96
    5.3.3 CPLD功能设计  96-97
    5.3.4 系统的其他主要硬件模块设计  97-98
  5.4 系统软件设计  98-103
    5.4.1 DSP程序设计  98-100
    5.4.2 CPLD程序设计  100-101
    5.4.3 软件设计中关键问题的探讨与优化  101-103
  5.5 算法验证与样机标定  103-115
    5.5.1 算法验证  103-108
    5.5.2 样机标定  108-114
    5.5.3 误差分析  114-115
  5.6 本章小结  115-116
结论  116-118
创新点摘要  118-119
参考文献  119-125
攻读博士学位期间发表学术论文情况  125-126
致谢  126-127
作者简介  127-128

基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究

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