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时差法多声道气体超声波流量计的研究

季涛  
【摘要】:相比于传统流量计,超声波流量计具有测量精度高、无阻流部件、适合大管径流量测量等优点。在我国,随着天然气使用的普及,气体超声波流量计作为法定计量工具,得到了广泛的应用。国际上对气体超声波流量计研究较早,目前已经有成熟的高精度多声道流量计产品,但价格非常昂贵。我国在这方面的起步较晚,技术积累较为欠缺,只有几家企业能提供精度不高的气体超声波流量计,与国外先进水平相比还有不少差距。本论文在深入研究国内外相关参考文献和研究成果的基础上,设计了时差法六声道气体超声波流量计,提出了将多个静态波形求平均的参考波形选择方法,并进行了流量测量实验,验证超声波流量计样机的测量性能。本论文的主要研究内容和研究成果有如下几个方面:1.设计了六声道气体超声波流量计。通过研究超声波流量计工作原理,研制了时差法六声道气体超声波流量计样机。样机的硬件电路采用双CPU系统结构,其中单片机负责声道切换控制、超声波换能器激发等功能,DSP由于具有更高的工作频率和A/D转换速度,主要负责超声波信号的A/D转换以及数据处理等功能,双CPU系统有效地提升超声波流量计的性能。软件方面针对双CPU系统的功能分别设计了单片机控制程序和DSP数据处理程序,同时完成了双CPU工作时的时序同步。2.提出了 一种将多个静态波形求平均的参考波形选择方法。超声波在气体管道中传播时信号的衰减、畸变比较严重,同时管道中气体流速、超声波换能器安装方向会进一步影响超声波信号传播,造成超声波信号的不稳定。而采用互相关算法计算渡越时间时,参考波形对计算结果至关重要。本论文对超声波信号影响因素进行深入研究后,提出了一种新的参考波形选择方法,该方法通过在静态环境下采集若干顺逆流超声波信号,对这些信号求平均,将得到的平均波形作为参考波形。与随机选择静态波形作为参考波形相比,平均参考波形能有效提高流量计渡越时间计算的精度和重复性,对流量计的性能提升有很大帮助。3.搭建了流量测量实验平台,进行了流量测量实验。根据仿真结果将气体流速分为低流速区和高流速区,进行了一系列流速测量实验,采用高斯-勒让德数值积分方法和线性拟合校正方法对实验结果进行处理,并对样机的零流量、低流速和高流速实验结果进行误差分析,实验结果表明,流量计样机低流速区的相对误差在4%以内,高流速区的相对误差在2%以内。


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