基于超声多普勒方法的管道流量测量研究

【摘要】：超声波流量计是流量测量最有发展前途的三种途径之一,但当前国内外的研究主要集中于时差法,工业管道用超声多普勒流量计的性能普遍不高,无论是理论方法还是技术实现手段均停留在20世纪90年代初期的水平,存在不能判断流速方向、低流速测量困难、动态响应速度慢、实时性差等缺点。 论文以超声多普勒管道流量测量的方法、系统实现和产品化为研究对象,首先分析归纳了管道流体的速度分布规律、厚度伸缩振动模式压电换能器的等效电路以及超声波在管道和流体中的传播规律,为超声多普勒探头的设计、管道截面平均流速的估计等提供了理论依据。 在理论方面,研究将超声多普勒信号解调到一个中频基准,建立了一种新的超声多普勒管道流量测量方法,该方法主要有三个方面的优点:(1)能判断流速的方向;(2)解决了低流速测量难题;(3)提高了流速测量尤其是低流速测量的动态响应速度、实时性以及稳定性。在此基础上,对选定窄带内的多普勒信号进行高精度频谱估计,并提出一种阈值抽取谱峰搜索方法估计管道中心轴线上的最大流速,该方法运算量小、稳定性好,并能修正多普勒谱峰低频偏移的影响。 在实践方面,研究设计了外夹式超声多普勒探头,基于虚拟仪器实现了一种新型超声多普勒流量测量系统,并建立了一套流体循环实验装置用于该系统的实验研究。通过实验确定了一种简单的阈值设定方法,分析了测量系统的流速测量特点尤其是在低流速情况下的性能。根据国家计量检定规程对系统进行了标定实验,结果表明该系统的准确度等级达到1.5级。 在产品化方面,基于论文建立的超声多普勒流量测量方法,以高速数字信号处理器件为核心实现了一种新型超声多普勒流量计产品,并实验标定了该产品的仪表系数、重复性、线性度以及基本误差等性能指标,结果表明该产品的准确度等级达到2.0级。