超声波气体流量检测技术

超声波气体流量检测技术是近年来流量检测领域的一个亮点，从目前在中、大口径管道气体流量计量中的应用情况来看，超声波流量计在计量精度、可靠性、压力损失、维护费用以及制造成本等方面相比其他计量器具都有自己独到的优势，特别是在天然气输送领域，超声波流量计已有成为最佳选择的趋势。超声流量计量分为气体与液体两大领域，两者的基本原理相同：当超声波在分别在流动与静止的介质中传播时，相对于固定坐标系统(如仪表壳体)，其传播速度是有差异的，传播速度的变化量与介质流速有关。由此可以根据超声波传播速度的变化求出介质流速，在已知流动横截面积的前提下进而求出流量。在液体流量计量领域，超声波流量计经过长期的经验积累，在测量精度上完全可以达到贸易计量的要求。相比而言，气体的超声流量计量技术只是掌握在少数几个厂家手中，并且在性能上与液体应用也有一定差距。出现这种情况的原因在于气体流量计量中客观存在的各种不利因素，包括速度场分布的安装效应(Installation Effect)、管道制造工艺、超声在气体中的能量衰减、声速-流速比小带来的传播路径偏转、气体压力波动带来的信道增益变动、气体调压装置带来的声学干扰等。超声波流量测量本身是一个涉及众多学科的综合技术，论文在前人研究基础上，从气体超声波流量计的原理出发，对引起计量误差的其中两个方面：流场适应性(安装效应)与渡越时间测量(时延估计)进行了一些研究。在一次仪表的流场适应性方面，通过应用CFD流场仿真技术，系统地研究了弯曲管道以及粗糙壁面条件下的流动速度场包络分布情况，给出了不同的声道布置方式对这些典型流动流场的适应能力，并给出了一次仪表的设计与优化思路。在二次仪表信号处理算法方面，研究重点放在背景噪声下的超声脉冲定位以及自适应降噪处理上，结合仪表在实时性与处理性能上的要求，采用以Laguerre滤波为基础的自适应算法，在满足脉冲信号处理精度的前提下最大限度地降低了滤波器阶数，从而在运算量上满足仪表处理的实时性。有关各章的内容分述如下：论文的第一章以大量的国内外文献为基础，全面论述了流量计的发展历史和现状，确定以最有发展前途的流量计之一——气体超声波流量计为研究内容。随后对该流量计一次仪表和二次仪表方面的研究做了全面介绍。提出了本博士课题的选题意义、立项依据，并说明了论文的主要研究内容。论文第二章从超声波流量计的计量原理出发，根据对仪表数学模型的分析，提出了以导致流量计量不确定度的流场以及信号等关键因素为中心内容的研究对象。论文第三章首先对理想流动下的流场流动情况进行了分析，然后从流体力学原理出发，对弯管流动流场特性以及粗糙管道流动特性方面进行了深入系统的研究，从而为超声波流量计的安装效应研究提供准确的流动速度场信息。论文第四章的重点是流量计的安装效应及其评估研究，并计算了若干种典型声道布置在特定流场中的流场适应能力。流量修正系数是超声波流量计的重要仪表参数，通过对该参数的获取以及多声道积分模型的建立，本章对修正系数及其在安装效应研究中的作用进行了分析。另外还对安装效应导致的声时测量误差进行了细化分析，将之分解为径向速度影响与速度场非对称分布影响两个大类进行深入研究。论文第五章主要集中在二次仪表数字信号处理研究上。由于流量计主要依靠超声脉冲在顺流和逆流情况下的信号时延差分来获取流体的流动速度信息，因此时延估计的精度也就决定了流量计能达到的计量精度与性能。在超声信号的时延估计问题中，信道的随机时变、频变对接收信号的影响是导致估计精度难以提高的主要原因。高精度时延估计通常以信道平稳、接收信号归一化波形基本不变为前提，当信道起伏严重、信号波形畸变严重时，时延估计的精度将迅速下降。本章对影响最大的声学噪声信号问题进行了针对性的研究，并提出使用Laguerre自适应滤波基本消除因为流量、压力等测量环境参数变动带来的幅值变化差异，获得整齐划一的波形。论文第六章对超声波流量计样机进行了试验研究，检验了上述技术的应用可行性。美国气体工业联合会(American Gas Association，A.G.A.)9号报告中已经给出了气体超声波流量计的详细检验流程，并被认为是超声气体流量计量领域的操作标准。本章依据9号报告中建议的操作流程，对样机进行了零流量检定、实流标定，并对标定结果进行了FWME修正。从试验结果来看，超声波流量计一次仪表壳体制造上的误差会导致流量计示值输出的整体性偏移，从而导致系统误差。使用流量加权平均误差系数法(Flow Weight Mean Error，FWME)对实流标定结果进行修正能有效的弥补制造加工以及安装等造成的偏差。论文第七章概括了全文的主要研究成果和论文的创新点，并展望了今后需要进一步开展的工作。关键词： 超声波流量计，仿真研究，试验研究，抗干扰，自适应滤波，Laguerre滤波