數(shù)字式氣體超聲波流量計(jì)信號(hào)激勵(lì)、處理與系統(tǒng)研究.pdf

1、氣體超聲波流量計(jì)在計(jì)量精度、可靠性、壓力損失、維護(hù)費(fèi)用以及制造成本等方面相對(duì)于孔板、渦輪等儀表具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在中、大口徑的管道流量測(cè)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(jì)日趨成為最佳選擇。但是，超聲波在氣體中傳播時(shí)能量衰減嚴(yán)重，并且容易受到速度場(chǎng)分布和氣體壓力波動(dòng)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(hào)的傳播路徑將產(chǎn)生偏移，這種偏移將導(dǎo)致超聲波信號(hào)不能完全達(dá)到接收換能器，造成能

2、量的進(jìn)一步衰減。上述各因素將導(dǎo)致超聲回波信號(hào)幅值非常微弱，并且波動(dòng)劇烈，甚至?xí)蜎](méi)在噪聲中，影響氣體超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度和量程比。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了氣體超聲波流量計(jì)的阻尼指數(shù)衰減模型、雙曲線(xiàn)模型等數(shù)學(xué)模型，在滿(mǎn)足一定的條件下（例如，固定激勵(lì)信號(hào)或者固定流量），較為準(zhǔn)確地反映了氣體超聲波流量計(jì)的工作特性。但是，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生變化或者氣體流量變化劇烈時(shí)，這些模型往往不再適用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用基于Laguerre變換的自適應(yīng)濾波器、小波濾

3、波器和多層線(xiàn)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)FIR濾波器等信號(hào)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(jì)算量過(guò)大的缺點(diǎn)。在回波信號(hào)處理方法方面，國(guó)外產(chǎn)品采用數(shù)字信號(hào)處理方法，獲得了較高的測(cè)量精度，但是，未披露技術(shù)細(xì)節(jié);國(guó)內(nèi)產(chǎn)品則主要采用模擬閾值檢測(cè)的方法，測(cè)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(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由兩臺(tái)DN100的氣體超聲波流量計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)、若干管道以及示波

4、器等組成。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，比較各類(lèi)激勵(lì)信號(hào)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)效果，確定正弦波信號(hào)具有最佳能量傳輸比，并且與其對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)具有最佳的信噪比和穩(wěn)定性。
　　基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析和曲線(xiàn)擬合的方法，建立氣體超聲波流量計(jì)在無(wú)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?；谠撃芰總鬟f模型，提出一種在發(fā)射電路輸出功率一定的情況下，增強(qiáng)激勵(lì)信號(hào)能量的方法，以增強(qiáng)激勵(lì)的能量，擴(kuò)展量程比。
　　提出一種基于零相

5、位濾波器的氣體超聲波回波信號(hào)預(yù)處理方法。針對(duì)類(lèi)似棗核狀時(shí)變信號(hào)的超聲波回波信號(hào)，首先進(jìn)行IIR濾波器，然后將所得結(jié)果逆轉(zhuǎn)后反向進(jìn)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(hào)包絡(luò)形狀的改變。
　　提出了一種跟隨回波信號(hào)峰值的可變閾值法，用于拾取特征波，計(jì)算超聲波傳播時(shí)間。由于回波信號(hào)的特征波決定超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)，因此回波信號(hào)特征波的拾取是傳播時(shí)間差法氣體超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的

6、關(guān)鍵。本文根據(jù)歸一化后的回波信號(hào)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(dāng)?shù)谋戎底鳛殚撝?，確定與其對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)，進(jìn)而確定與其對(duì)應(yīng)的特征波，克服了傳統(tǒng)閾值法抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，且運(yùn)算量小，易于DSP實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
　　采用多零電平交點(diǎn)平均的方法確定超聲波傳播時(shí)間，有效地降低了計(jì)算過(guò)程中的隨機(jī)誤差;在利用多次超聲波傳播時(shí)間求取氣體流量的過(guò)程中，采用傳播時(shí)間排序加權(quán)的方法，有效地克服由于速度場(chǎng)分布和氣體壓力變化等因素造成的回波

7、信號(hào)波動(dòng)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(jì)信號(hào)處理單元，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)上述各種數(shù)字信號(hào)處理方法，輸出符合驅(qū)動(dòng)要求的高壓激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的放大濾波與自增益控制;并與重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司提供的雙聲道四換能器直射式流量計(jì)表體組成了完整的數(shù)字式氣體超聲波流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣體流量的測(cè)量。
　　為了驗(yàn)證上述信號(hào)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(cè)中心、重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院流量