气体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对于孔板、涡轮等仪表具有独特的优点,尤其是在中、大口径的管道流量测量方面,其优越性更加明显,在天然气输送领域,气体超声波流量计日趋成为最佳选择。但是,超声波在气体中传播时能量衰减严重,并且容易受到速度场分布和气体压力波动等因素的影响。另外,由于声速与流速比小,随着气体流速的增加,超声波信号的传播路径将产生偏移,这种偏移将导致超声波信号不能完全达到接收换能器,造成能量的进一步衰减。

上述各因素将导致超声回波信号幅值非常微弱,并且波动剧烈,甚至会淹没在噪声中,影响气体超声波流量计的测量精度和量程比。为此,国内外学者建立了气体超声波流量计的阻尼指数衰减模型、双曲线模型等数学模型,在满足已定的条件下(例如,固定激励信号或者固定流量),较为准确地反映了气体超声波流量计的工作特性。但是,当激励信号发生变化或者气体流量变化剧烈时,这些模型往往不再适用。

国内外学者采用基于Laguerre变换的自适应滤波器、小波滤波器和多层线性神经网络的自适应FIR滤波器等信号预处理方法,取得了较好的滤波效果。但是,普遍存在收敛速度慢、计算量过大的缺点。在回波信号处理方法方面,国外产品采用数字信号处理方法,获得了较高的测量精度,但是,未披露技术细节；国内产品则主要采用模拟阈值检测的方法,测量精度较低,量程比有限,抗干扰能力较差。

为此,本文搭建气体超声波流量计实验平台,进行实验研究。该实验平台由两台DN100的气体超声波流量计、鼓风机、若干管道以及示波器等组成。通过大量的实验,比较各类激励信号的实际驱动效果,确定正弦波信号具有最佳能量传输比,并且与其对应的回波信号具有最佳的信噪比和稳定性。基于大量实验数据,采用统计分析和曲线拟合的方法,建立气体超声波流量计在无流量和有流量情况下的能量传递模型,反映气体超声波能量的转换效率和衰减规律。基于该能量传递模型,提出一种在发射电路输出功率一定的情况下,增强激励信号能量的方法,以增强激励的能量,扩展量程比。提出一种基于零相位滤波器的气体超声波回波信号预处理方法。

针对类似枣核状时变信号的超声波回波信号,首先进行IIR滤波器,然后将所得结果逆转后反向进行IIR滤波器,再将所得结果逆转输出,这既滤除了噪声,又尽可能地减少了由于相位延迟等原因造成的回波信号包络形状的改变。提出了一种跟随回波信号峰值的可变阈值法,用于拾取特征波,计算超声波传播时间。由于回波信号的特征波决定超声波传播时间的终点,因此回波信号特征波的拾取是传播时间差法气体超声波流量计实现的关键。

本文根据归一化后的回波信号的峰值及其之前的各极值近似维持不变这一特性,选择某一适当的比值作为阈值,确定与其对应的极值点,进而确定与其对应的特征波,克服了传统阈值法抗干扰能力弱等缺点,且运算量小,易于DSP实时实现。采用多零电平交点平均的方法确定超声波传播时间,有效地降低了计算过程中的随机误差；在利用多次超声波传播时间求取气体流量的过程中,采用传播时间排序加权的方法,有效地克服由于速度场分布和气体压力变化等因素造成的回波信号波动的影响。

研制了一套基于FPGA和DSP双核心架构的气体超声波流量计信号处理单元,实时实现上述各种数字信号处理方法,输出符合驱动要求的高压激励信号,实现回波信号的放大滤波与自增益控制；并与重庆公司提供的双声道四换能器直射式流量计表体组成了完整的数字式气体超声波流量计,实现了气体流量的测量。为了验证上述信号处理方法和系统的有效性,分别在重庆科学技术研究院检测中心、重庆市计量质量检测研究院流量计量检测研究中心和公司进行了气体实流标定。标定结果表明,研制的DN100气体超声波流量计满足JJG1030-2007中对1级精度仪表检定规程的要求,达到了国内气体超声波流量计的最高测量精度水平,而且测量的上限流量达到了1000 m3/h,超越了国内气体超声流量计公司和过程管理公司旗下Daniel公司产品的上限流量(850 m3/h),拓宽了气体超声流量计的量程比。