基于相关算法的编码超声气体流量计研究

论文摘要

超声波流量计作为一种非接触、易于安装维护的仪表在工业领域得到广泛应用。尤其在天然气计量领域,超声波流量计的潜力和优势十分明显。虽然孔板流量计仍是主要测量手段,但超声波流量计具有无可动部件、无压损、测量精确度高等优点,另外随着相关标准的发布和实用领域的探索,超声波流量计将会得到越来越广泛的应用。本文将伪随机编码信号引入了相关时差法超声流量计的信号处理中。相关时差法是传统时差法与相关算法对结合,兼具二的者优点,并且克服了时差法触发时刻不易确定、时间差难以直接精确测量,相关法被测对象不确定、易受驻波影响等缺点。伪随机编码码信号以其优良的自相关特性,可以实现对微小时间差的精确测量。本文针对巴克序列,m序列以及L序列进行了理论分析及相关试验,比较了各编码方式的特性,并对影响相关结果的重要参数,如:码元宽度,采样频率,序列长度,序列周期个数等,确定了选取标准。系统硬件电路主要包括超声信号的发射、接收和处理部分。发射部分设计了数字式任意波形发生器,直接产生经过调制的伪随机编码信号。超声信号接收处理电路的作用是从放大滤波后的信号中解调出伪随机编码信号,并将其稳定在一个固定的范围之内。使用任意波形发生器对本课题选用的SensComp发射/接收型压电陶瓷超声换能器进行了调幅编码特性实验研究,得出参数选择的标准。系统调试成功后,分别用巴克序列、m序列、L序列三种不同编码方式激励超声换能器,比较优劣;并将本设计伪码相关时差法超声波气体流量计在天津大学过程检测与控制实验室的常压气体流量实验装置上进行了试验测试,对测试结果的误差来源进行了详细的分析,并提出了解决和进一步完善设计的方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内、外研究历史及现状
• 1.2.1 超声波气体流量计产品及性能研究
• 1.2.2 时差法超声波气体流量计研究
• 1.3 本课题工作及主要创新点
• 1.4 本文的内容安排
• 第二章 超声波流量测量原理与误差分析
• 2.1 超声波简介与超声流量计
• 2.1.1 超声波简介
• 2.1.2 超声流量计
• 2.2 时差法超声波流量测量
• 2.2.1 时差法流量测量原理
• 2.2.2 时差法流量计算方程
• 2.2.3 时差法误差分析
• 2.3 基于相关理论的时差法超声波流量计
• 2.4 测量中存在的问题及本文所提出的改进方法
• 第三章 编码超声测量系统的理论基础与分析仿真
• 3.1 编码超声测量的理论基础
• 3.1.1 伪随机编码信号的介绍
• 3.1.2 编码相关技术原理
• 3.1.3 编码相关测量技术与经典相关流量测量的区别
• 3.2 编码超声测量系统参数选择的分析、仿真
• s的分析、仿真'>3.2.1 采样频率 f_s的分析、仿真
• 3.2.2 码元宽度n的分析、仿真
• 3.2.3 伪随机序列长度P的分析、仿真
• 3.2.4 延迟时间—码元宽度比的分析、仿真
• 3.2.5 伪随机码幅值的分析、仿真
• 3.3 相位编码技术信号捕捉解调环节的分析、仿真
• 3.3.1 系统辨识方法
• 3.3.2 采样插值方法
• 3.3.3 延迟锁相环方法
• 第四章 编码超声测量系统驱动及接收电路
• 4.1 超声换能器简介
• 4.2 驱动信号产生电路
• 4.2.1 数字波形发生器的原理
• 4.2.2 设计器件与参数选择
• 4.2.3 正弦信号幅值离散及烧写
• 4.2.4 电路设计
• 4.3 超声信号接收处理电路
• 4.3.1 放大滤波电路设计
• 4.3.2 包络检波电路
• 第五章 系统试验与数据分析
• 5.1 试验方法与试验装置
• 5.2 试验数据的Matlab分析处理方法
• 5.2.1 相关分析
• 5.2.2 数据插值与滤波
• 5.2.3 信号重构方案设计
• 5.3 超声波气体流量计试验结果及分析
• 5.3.1 调幅编码超声波实验
• 5.3.2 超声换能器性能试验
• 5.3.3 m序列实流试验
• 5.3.4 解决方案
• 第六章 总结与建议
• 参考文献
• 致谢