【摘要】：天然氣是一種清潔高效的能源,隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,中國(guó)的天然氣市場(chǎng)正處于一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。氣體超聲波流量計(jì)憑借其無(wú)阻流部件、無(wú)活動(dòng)部件、適合大管徑測(cè)量、無(wú)壓損、量程比大等優(yōu)點(diǎn)從眾多氣體流量計(jì)中脫穎而出,在天然氣貿(mào)易計(jì)量中得到廣泛應(yīng)用。然而我國(guó)在該領(lǐng)域的起步較晚,在關(guān)鍵技術(shù)上的研究不夠成熟,目前在大中型輸氣管道和調(diào)壓門(mén)站采用的都是國(guó)外產(chǎn)品,因此研發(fā)國(guó)產(chǎn)高精度氣體超聲波流量計(jì)具有重大意義。本論文查閱了大量相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),對(duì)氣體超聲波流量計(jì)技術(shù)進(jìn)行了概述分析,在此基礎(chǔ)上針對(duì)高流速下超聲波接收信號(hào)信噪比低和波形畸變?cè)斐傻亩稍綍r(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確問(wèn)題開(kāi)展了研究。論文主要的工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.設(shè)計(jì)了高壓驅(qū)動(dòng)的氣體超聲波流量計(jì)樣機(jī)。高壓驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)了三級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓放大電路,產(chǎn)生最高可達(dá)±70V的驅(qū)動(dòng)電壓,相比之前±12V的驅(qū)動(dòng)電壓,從源頭上提高了超聲波信號(hào)的能量。信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)了四級(jí)信號(hào)處理電路,包括可編程增益模塊,在高流速情況下可自動(dòng)調(diào)整增益大小,確保超聲波接收信號(hào)具有較高的信噪比。2.提高了超聲波信號(hào)的采樣頻率,從而提高了渡越時(shí)間測(cè)量的分辨率�；ハ嚓P(guān)算法計(jì)算結(jié)果的精確度與采樣頻率有關(guān),采樣頻率越高,計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。本論文對(duì)DSP芯片內(nèi)部資源進(jìn)行了合理的分配,在滿足測(cè)量所需資源的基礎(chǔ)上盡可能把采樣頻率提高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,6MHz的采樣頻率已達(dá)到該DSP內(nèi)部資源的上限,因此將本樣機(jī)系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為6MHz,相比于4MHz的采樣頻率,渡越時(shí)間分辨率提高了 33.3%。3.研究了不同激發(fā)波形模態(tài)對(duì)超聲波信號(hào)互相關(guān)函數(shù)波形形態(tài)的影響,確定了本流量計(jì)系統(tǒng)理想的激發(fā)波形模態(tài)�；ハ嚓P(guān)函數(shù)波形形態(tài)對(duì)渡越時(shí)間計(jì)算精度影響最大的地方在于最大值點(diǎn)和相鄰極大值點(diǎn)之間的縱坐標(biāo)差,本論文采用相位翻轉(zhuǎn)的方波序列組合波形作為激發(fā)波形,以最大值點(diǎn)和相鄰極大值點(diǎn)之間的縱坐標(biāo)差的大小作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了理想的組合波形作為本流量計(jì)系統(tǒng)的激發(fā)波形。該理想的激發(fā)波形模態(tài)相比其余激發(fā)波形模態(tài)顯著增大了互相關(guān)函數(shù)最大值點(diǎn)和相鄰極大值點(diǎn)之間的縱坐標(biāo)差,具有較強(qiáng)的抗最大值點(diǎn)波動(dòng)的能力,有利于提升渡越時(shí)間計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。4.提出了一種基于互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)特征點(diǎn)的超聲波渡越時(shí)間計(jì)算方法。該方法選取整個(gè)互相關(guān)函數(shù)波形包絡(luò)正值遞增區(qū)間中相鄰極大值差最大的兩個(gè)極大值點(diǎn),把其中幅值較大的極大值點(diǎn)作為特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算渡越時(shí)間。在從低流速到高流速的整個(gè)測(cè)量區(qū)間中,該特征點(diǎn)在互相關(guān)函數(shù)波形包絡(luò)的位置相對(duì)穩(wěn)定,且相比于最大值點(diǎn),該點(diǎn)與相鄰極大值點(diǎn)之間有更大的縱坐標(biāo)差,提高了渡越時(shí)間測(cè)量的重復(fù)性。最后,基于上述研究,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和相對(duì)誤差、重復(fù)性測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本論文所提出方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH814
【圖文】：

順逆流傳播速度中包含著氣體流速信息。傳播速度差法就是利用順逆流傳播的超逡逑聲波信號(hào)傳播速度不同從而根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算出氣體流速，進(jìn)而檢測(cè)氣體流量的。逡逑傳播速度差法原理示意圖如圖２．１所示。逡逑超聲波換能器１逡逑ｙ、逡逑超聲波換能器２逡逑圖２．１傳播速度差法原理示意圖逡逑其中，超聲波換能器１和２分別布置在管道的上下游，既可作為發(fā)射換能器逡逑來(lái)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，也可作為接收換能器接收超聲波信號(hào)，兩個(gè)超聲波換能器之逡逑間構(gòu)成一個(gè)超聲波信號(hào)傳播聲道，ｖ為氣體流速，Ｚ為聲道長(zhǎng)度，０為聲道與管逡逑道軸向夾角，ｃ／為管道內(nèi)徑，為逆流方向，ｒｆ0Ｗ／７為順流方向。根據(jù)直接檢測(cè)逡逑量的不同，傳播速度差法可以分為時(shí)差法、相差法和頻差法，其中，時(shí)差法憑借逡逑其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)在氣體超聲波流量計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用得最廣。逡逑時(shí)差法直接檢測(cè)的是超聲波信號(hào)在聲道的渡越時(shí)間（也即傳播時(shí)間），受氣逡逑體流速的調(diào)制

質(zhì)的溫度和壓力一定時(shí)，超聲波聲速ｃ是一定的，而在氣體體流速一般遠(yuǎn)小于超聲波聲速，即存在ｃ２？ｖ２邋ｃｏｓ２l�，詽}矗┧盡ｅ義希玻體澹悖錚簀澹瑰義稀蓿觶沐義隙稍絞奔洳鈑肫辶魎儷上咝怨叵擔(dān)墑劍ǎ玻矗┘純汕蟪銎澹ǎ玻擔(dān)┧盡ｅ義希悖玻停鰣�？逦２ＬｃｅP簀錶掑義銑齔ㄋ襯媼鞫稍絞奔洳�，便亢Y菔劍ǎ玻擔(dān)┣蟪銎辶魎�，｀P矗罰蕁ｅ義匣謁婊痰南喙乩礪郟ü侗鴣銎逅婊鞫肷偶撲愕貿(mào)銎辶魎�，进而得禂圇量的方法。相关法原理示�

本文編號(hào)：2744769