基于神经网络的多声道超声气体流量计研究

在以弦向声道布置的多声道超声气体流量计原理的基础上,采用Gauss-Legendre数值积分和线性神经网络相结合的方法完成自适应调整权系数的多声道超声气体流量计建模。在建模过程中,根据Legendre正交多项式的节点值,计算多声道超声换能器的位置分布值,再按照Widrow-Hoff学习规则,由leanrwh函数求解出各声道的层流流速和权系数值表,最后根据实时测量出的层流流速,通过插值算法自适应匹配一组最佳的权系数值,计算出流速和流量值。并以4声道交叉布置方式的超声气体流量计为例,进行测量误差仿真实验和物理实验,误差均能满足实际测量要求。

多声道超声气体流量计的建模与仿真

基于时差式超声流量计测量原理和Gauss-Legendre数值积分方法,建立了多声道超声气体流量计的数学模型.在建模过程中,根据瞬时流速以流速分布函数按面积积分的公式,推导出在弦向声道处的平均流速按声线积分的表达式,然后推导出在弦向声道处的平均流速加权求和的瞬时流速公式;应用Legendre多项式求解出高斯节点值和加权系数,即确定了各个声道的分布位置.以四声道交叉布置方式的超声气体流量计为例,通过Matlab仿真与误差分析,结果表明:在考虑流速分布的影响下,模型的测量误差不大于0.1%,验证了模型的正确性,因而多声道超声气体流量计完全能满足油气、天然气等气体在输送和分配计量中的精度要求.

超声气体流量计换能器安装角度对流量测量影响研究

超声气体流量计是一种非接触式流量计,换能器安装角度的不同会导致同一声道上流速分布不均匀,这是影响超声气体流量计测量准确性的关键因素。为了解决这一问题,提出用计算流体力学(CFD)仿真的方法,分析换能器在DN80管段上,不同安装角度对流场流速分布的影响。研究结果表明,针对DN80管径,当换能器安装角度为50°,流速分布误差最小,此时对流量测量的影响也最小。

便携超声气体流量计在现场比中应注意的问题

本文总结了便携超声气体流量计在现场比中应注意的一些问题,并且分析了在测量种可能遇到的故障。

交叉分段差分进化支持向量回归的气体超声流量计测量方法

为了进一步提高全量程气体超声流量计的测量精度,基于多通道声波到时和实时温度,提出了一种交叉分段差分进化支持向量回归(DE-SVR)模型。考虑到气体在不同流量条件下的流体状态不同,提出了交叉分段处理的方法,采用差分进化算法优化选取支持向量回归参数。实验结果表明,对于16∼1600 m3/h全量程,交叉分段DE-SVR和传统积分方法计算气体流量的平均相对误差分别为0.00447和0.02781,前者较后者降低了83.93%;对于16∼160 m3/h小流量,交叉分段DE-SVR和无分段DE-SVR算法计算结果平均相对误差分别为0.00436和0.03214,前者较后者降低了86.43%。该方法有效避免了声道长度、探头角度以及管道直径等参数不确定性对流量计算的影响,为全量程气体流量的高精度测量提供了保障。

基于卡尔曼滤波的气体超声波流量计校准方法

本文首先分析了气体超声波流量计的工作原理;其次总结了气体超声波流量计的影响参数,并利用卡尔曼滤波算法,通过递推计算得到了不同时刻气体流速、压力、温度等状态变量的最优估计值;最后将上述最优估计值与标准流量计的读数进行比较获得了校准结果,进而完成了气体超声波流量计的校准。实验结果表明,本文提出的校准方法具有误差较小、稳定性较强等优势,具有重要的应用价值。

超声波流量计整流器优化设计

气体超声波流量计的测量精度由飞行时间的测量精度和流量计自身的流场适应性决定,流量计的流场适应性又由流量计的声道布置和整流器的性能决定。文章设计了一种内嵌于流量计的整流器,详细阐述了该整流器的结构、各模块的功能。介绍了整流器性能优化的理论依据、过程以及整流器性能优劣的判别准则。该整流器性能优化主要取决于起旋器的优化,文章给出了装有8片起旋器和装有10片起旋器的整流器在直管、单弯管下的性能参数对比,试验结果显示装有10片起旋器的整流器有着更好的流场适应性:重复性满足国标要求,直管示值误差与弯管示值误差的差值<0.3%。文章的创新点在于给出气体超声波流量计整流器设计和优化的理论依据和一整套流程,对于设计气体超声波流量计整流器的科研人员有借鉴意义。

基于高精度时差法的气体超声流量计研究

针对气体超声流量计在测量中存在回波信号衰减大、波形易受工况影响的问题,提出了一种基于高精度时差的气体超声流量测量方法。该方法首先通过相似度评估回波信号,对回波信号特征点进行准确定位,进而获取飞行时间差的粗测量值,其次选取特定回波波形进行互相关法计算获得时差的细测量值,最后对两次测量结果相加得到高精度时差,从而实现高精度的流量测量。不同压力下的声速测量实验表明该方法在100 kPa至500 kPa范围内可准确测量飞行时间和时差。气体流量计样机的流量测量误差小于1%,重复性优于0.2%,并在大流量下与传统阈值法相比具有更高的准确性和更优的重复性。

流场因素对超声波气体流量计测量精度影响

采用超声波时差法进行气体流量测量时,流场快速变化或者管段结构造成的局部二次流、涡流及速度分布不对称等情况,是影响超声波气体流量计测量精度的关键因素。针对此问题,以DN50超声波气体流量计为研究对象,利用CFD对超声波流量计不同风速下进行数值模拟,并在低速回流风洞测试段进行风速测试实验。将计算流体力学与信号处理相结合,分析换能器安装结构引起的流速特性变化,以及流场扰动对超声波回波信号的影响。研究表明,在0~3 m/s流速范围内,随风速增大,超声波测速受流场变化与声束扰动影响也增大,同时超声波回波信号质量越差,流量计风洞测速实验验证了数值模拟的合理性。

基于自适应滤波算法的超声波气体流量计

针对超声波气体流量计在使用过程中普遍存在的测量精度不高、稳定性差等问题,提出并实现了基于时差法和新型自适应滤波算法的超声波气体流量计。该流量计硬件部分由STM32F103主控芯片、高精度计时芯片TDC-GP22等组成,保证了系统的计量精度;软件部分采用了一种改进型卡尔曼滤波算法,在保证滤波效果的同时有效提高响应速率,并且将其与算术平均滤波相结合,根据流体渡越时间差的变化率提出了新型自适应数据滤波算法。通过实验对比发现,该新型滤波算法有效降低了系统的测量误差,在0.25~40 m^(3)/h流量范围内,系统的最大测量误差为1.08%,满足1.5级精度标准,同时使得系统零漂减小为原来的一半,大大提高了系统的稳定性,满足了实际工程应用的需要。

气体超声波流量计在硫磺回收装置中的应用

在硫磺回收的工艺装置中,由于测量特殊酸性气体的质量流量较困难,提出了具有可测量相对分子质量,能够应对多组分气体并通过压力补偿,以及温度补偿计算的气体超声波流量计测量方案。介绍了硫磺回收工艺装置中气体流量的特点、气体超声波流量计原理以及安装设计、出现的问题及技术改造措施,为同类型装置提供参考和选择。

基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路研究

针对本安型气体超声波流量计的供电电路存在本质安全化和多电压输出无法兼备的问题,设计了基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路。分析了本质安全型气体超声波流量计二重转压供电电路的工作原理,设计了该电路中储能元件的参数,将电容的最大储能限制在255.92μJ,电感的最大储能限制在2.24 nJ,远小于本安条件下的最小点燃能量0.28 mJ。对二重转压供电电路进行本质安全校核,电路在同一电压等级下的最大电容为90.2μF,在同一电流等级下最大电感为1μH,芯片最高表面温度为114.8℃,远小于同一本安条件下各元件参数的最大允许值。对二重转压供电电路进行供电性能测试,电路的输出电压和输出电流完全满足本安型气体超声波流量计的电源要求,解决了本安型气体超声波流量计的供电电路本质安全化和多电压输出无法兼备的问题。

基于气体的超声流量计精确检测技术研究

针对目前市场上的部分超声波气体流量计,在检测管道内流动气体瞬时流量存在的低流速或小流量测量精度不高、计量不准确等缺陷问题,采用了一种基于卡尔曼滤波对多通道气体超声流量计测量结果进行融合的理论方法,充分合理利用多个声道的流量信息,有效判断正常值并剔除非正常数值;利用流体模拟软件Fluent对设计的多声道气体超声波流量计在融合过程中进行了声道权重系数、流场修正系数、声道方案优化、流动特性分析和计算;取得了多通道气体流量计测量数据结果稳定输出及数据精准、根据计算结果的统计规律自动调整测量结果权重等研究成果;提高了气体超声波流量计的测量精准性,得出了利用超声波对超声探头进行激励,依次对比不同条件下的超声接收信号波形和静态测量数据,将融合后的结果乘以流场修正系数为最终输出流量结果的结论;对解决超声波气体流量计精准检测计量关键技术,打破国外少数厂家技术垄断及填补在气体超声波流量计方面的技术装备空白具有重要意义。

双声道直射式气体超声波流量计湿气虚高预测模型研究

为探索超声波流量计测量湿气时的特性,以双声道平行直射式气体超声波流量计为研究对象,分析了超声波流量计虚高产生的原因和影响因素。基于水平直管气液两相流的经典L-M(Lockhart-Martinelli)截面含气率模型,建立了双声道平行直射式超声波流量计湿气虚高预测模型。在天津大学中压湿气流量实验装置上进行了超声波流量计湿气实验,在压力范围0.2~0.8 MPa、气相表观流速5~20 m/s的湿气工况条件下,超声波流量计正常工作时,虚高预测模型的整体相对误差在±6%以内,90.3%的相对误差在±4%以内;同时,93.6%实验工况点下的测量重复性小于1%,整体测量重复性的平均值为0.41%。

气体超声波流量计测量不确定度评定分析

为进一步提升气体超声波流量计的应用效果,结合西气东输天然气系统中应用的某型号气体超声波流量计的不确定测量因素来源,参考标准文件JJF1059.1-2012的相关内容,采用GUM法,对不确定度评定的流程要点进行探究。实际应用测试结果显示,本次不确定度评定方法获得了相对较为精准的评定结果,表明本次实验取得了初步成功,所建立的天然气流量测量不确定度评定方法具有潜在应用价值。

基于气体超声波流量计的间歇激励和信号处理

为了提高气体超声波流量计系统的响应速度,提出一种新的基于相邻峰值最大差值的气体超声流量计信号处理方法。为了进一步提高该信号处理方法的测量精度,又提出一种新的间歇式激励方法。采用间歇式激励方法能得到相邻峰值差值较大的回波信号,并且在不同流量下,相邻峰值最大差值的相对位置始终保持不变。在实际测量中,通过回波信号中相邻峰值最大差值的位置,确定回波信号的到达时刻,进而计算出超声波传播时间,得到气体流量。将间歇式激励方法和基于相邻峰值最大差值的信号处理方法在硬件系统上进行实时实现,并进行标定实验,结果验证了激励方法配合信号处理方法的高效性。

基于FPGA和DSP的气体超声流量计驱动和数字信号处理系统

采用FPGA+DSP双核芯结构,研制气体超声流量计驱动和数字信号处理系统。利用FPGA很高的工作频率和丰富的内部资源,实现高速DAC和ADC的驱动控制和数据存储;利用DSP的高速运算能力,实现数字信号的实时处理。针对利用正弦波驱动产生的超声波回波信号,基于实验数据统计,提出跟踪回波信号峰值的可变阈值法,准确地提取特征波,有效地克服了噪声的影响,扩展了量程比。气体标定实验结果验证了方法和系统的有效性。

数字式超声波气体流量计的信号处理及改进

利用超声波测量气体流量具有非接触、安全、精确度高等优点。介绍了基于DSP的超声波气体流量计的工作原理及硬件设计框架;针对其接收信号弱、工作环境噪声强的特点采用相关法分析,并分别从时域和频域阐述了相关法的原理和算法;在保证精度的前提下提出了算法改进措施以提高其实时性,并给出了板上调试的具体实例;首次提出利用回波法求基准波的方法;针对不同系统的要求提出了三种提高精度的措施。以上方法成功应用于仪表设计中。

超声波气体流量计的管道模型仿真和误差分析

为满足不断发展的超声波气体流量计测量精度的需要,改进传感器的设计精度和有效降低安装测试及样机调试成本,针对制约超声波气体流量计测量精度主要误差源之一的管道流场分析问题,结合计算机建模数值仿真技术及实验技术对其流场设计参数以及弯管安装条件等对超声波测量误差产生原因进行定量分析。理论研究和仿真实验结果表明,可以量化分析气体超声波流量计流场误差产生的原因、范围,并通过限定流场修正系数更有效地降低其测量误差,这项研究对该超声波气体流量计的优化设计和工程应用具有一定的指导意义。