超聲波氣體流量計(jì)具有測(cè)量精度高、量程比大、壓損小等優(yōu)點(diǎn)，已被美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家政府機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)作為天然氣貿(mào)易結(jié)算的法定計(jì)量工具，目前為止僅有少數(shù)廠家如美國(guó)Daniel、GE、日本愛知時(shí)計(jì)等具備自主研發(fā)能力，其中，國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)了超聲波氣體流量計(jì)絕大部分。不同于超聲波液體流量計(jì)，超聲波氣體流量計(jì)中的超聲波信號(hào)在氣體介質(zhì)傳輸過(guò)程中衰減大，而且超聲波換能器工作頻率普遍在40～200kHz之間，該頻率范圍段非常容易受聲學(xué)噪聲干擾，導(dǎo)致超聲波接收信號(hào)信噪比低，渡越時(shí)間難以準(zhǔn)確測(cè)量。通常提高管道內(nèi)被測(cè)氣體的壓力可以提高超聲波接收信號(hào)的質(zhì)量，因此目前市面上的超聲波氣體流量計(jì)主要用于天然氣流量計(jì)量。

由于受限于超聲波接收信號(hào)的信噪比，超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)的準(zhǔn)確性較難提高，目前廣泛用于超聲波氣體流量計(jì)渡越時(shí)間檢測(cè)的算法主要有互相關(guān)法、閾值法等。利用回波法得到參考波形，與直接接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到渡越時(shí)間，完成流量計(jì)算，由于該方法的參考波形通過(guò)多次反射得到，在小管徑環(huán)境中適應(yīng)性較好，在較大管徑中超聲波信號(hào)由于衰減較大，難以保證穩(wěn)定接收，因此該方法具有較大局限性; 將多個(gè)靜態(tài)無(wú)風(fēng)環(huán)境下的接收波形作平均處理以構(gòu)建參考波形，再與實(shí)際接收波形進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到渡越時(shí)間，由于忽略了溫度壓力等因素對(duì)超聲接收波形包絡(luò)形狀的改變，因此該方法環(huán)境適應(yīng)能力很有限; 采用可變閾值法用于超聲波渡越時(shí)間計(jì)算，在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成了校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以獲得較高測(cè)量精度，該方法僅僅在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行試驗(yàn)，未進(jìn)行更低壓力環(huán)境的應(yīng)用研究。

為了檢驗(yàn)超聲波氣體流量計(jì)在低壓環(huán)境的適應(yīng)性，該文構(gòu)建了壓力試驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上完成了不同負(fù)壓等級(jí)的信號(hào)衰減試驗(yàn)，分析了影響規(guī)律。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了帶通濾波電路及自動(dòng)增益控制電路，基于FPGA采用相對(duì)閾值法結(jié)合過(guò)零檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)了超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)和流量計(jì)算，最后在工業(yè)性試驗(yàn)中檢驗(yàn)了樣機(jī)的測(cè)量精度。

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超聲波氣體流量計(jì)在天然氣中的應(yīng)用底座S9-M

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