气体超声流量计具有测量准确度高、无压损、量程宽等优点，广泛应用于气体流量测量，特别是在大口径管道的天然气流量测量方面优势显著。《气体超声流量计的信号激励与数字处理技术》介绍气体超声流量计的信号激励与数字处理技术，包括气体超声流量计的信号模型、能量传递模型，常规激励信号优化、间歇式激励方法和与之配合的基于相邻峰值*大差值的信号处理方法，基于可变比例阈值和过零检测的信号处理方法，基于动态可变阈值的信号处理方法，基于回波峰值拟合的信号处理方法，基于回波信号包络拟合的信号处理方法，基于能量变化率的特征波提取方法，基于回波能量点定位的信号处理方法，基于回波能量积分的信号处理方法，以DSP和FPGA为核心的双声道气体超声流量变送器、四声道气体超声流量变送器和以MCU为核心的低功耗单声道气体超声流量变送器。

目录
前言
第1章 气体超声流量计概述 1
1.1 气体超声流量计的重要性 1
1.2 气体超声流量计简介 2
1.2.1 气体超声流量计测量原理 2
1.2.2 基于时差法的气体超声流量计工作原理 4
1.2.3 基于时差法的气体超声流量计结构组成 6
1.3 气体超声流量计的发展与研究现状 7
1.3.1 超声流量计信号模型 9
1.3.2 激励信号的设计与选择 10
1.3.3 回波信号预处理 11
1.3.4 回波信号处理方法 12
1.3.5 回波信号后处理 20
参考文献 21
第2章 气体超声流量计的数学模型 27
2.1 气体超声流量计的信号模型 27
2.1.1 实验平台 28
2.1.2 传统的信号模型分析 30
2.1.3 幅值子模型建立 31
2.1.4 过程子模型建立 37
2.1.5 延时时间子模型建立 43
2.2 气体超声流量计的能量传递模型 47
2.2.1 静态实验 49
2.2.2 动态实验 51
2.2.3 静态模型参数拟合 51
2.2.4 动态模型参数拟合 55
2.2.5 能量传递模型的应用 57
参考文献 59
第3章 激励信号 60
3.1 常规激励信号 60
3.1.1 激励信号性能 60
3.1.2 激励信号选择 61
3.1.3 实验方法 61
3.1.4 实验结果 62
3.2 间歇式激励信号 65
3.2.1 叠加波形的变化规律 66
3.2.2 间歇式激励信号的实验研究 67
3.2.3 间歇式激励信号配合的处理方法 72
参考文献 75
第4章 基于可变和动态阈值的信号处理方法 76
4.1 基于零相位滤波器的回波信号预处理方法 76
4.1.1 零相位滤波器算法原理与实现过程 77
4.1.2 零相位滤波器与其他滤波器比较 78
4.2 基于可变比例阈值和过零检测的信号处理方法 83
4.2.1 特征点选择 83
4.2.2 比例阈值方法提出 86
4.2.3 阈值确定 87
4.3 基于动态可变阈值的信号处理方法 92
4.3.1 回波信号预处理 93
4.3.2 回波信号分析 94
4.3.3 动态可变阈值函数确定 97
4.3.4 特征点确定 99
4.3.5 实验数据离线处理 101
4.4 可变阈值与动态可变阈值方法的比较 103
4.4.1 方法实现步骤 104
4.4.2 特征点稳定性 106
4.4.3 特征点拾取正确率 108
参考文献 109
第5章 基于回波轮廓的信号处理方法 111
5.1 基于回波峰值拟合的信号处理方法 111
5.1.1 回波信号轮廓研究 111
5.1.2 拟合直线阈值范围确定 112
5.1.3 特征点确定和气体流量计算 114
5.2 基于回波信号包络拟合的信号处理方法 116
5.2.1 回波信号包络研究 116
5.2.2 特征直线拟合范围确定 118
5.2.3 特征点确定 120
参考文献 124
第6章 基于回波能量的信号处理方法 126
6.1 基于能量变化率的特征波提取方法 126
6.2 基于回波能量点定位的信号处理方法 129
6.2.1 回波信号能量研究 129
6.2.2 回波信号能量包络变化率分析 130
6.2.3 特征点确定和气体流量计算 132
6.3 基于回波能量积分的信号处理方法 136
6.3.1 回波能量变化规律研究 137
6.3.2 积分阈值选取 138
6.3.3 固定累积能量值选取 140
6.3.4 特征点确定和气体流量计算 143
参考文献 146
第7章 基于DSP和FPGA的双声道气体超声流量变送器 148
7.1 变送器方案设计 148
7.2 变送器硬件研制 149
7.2.1 硬件总体结构设计 149
7.2.2 硬件各模块设计 151
7.2.3 PCB电气结构布局准则 162
7.3 变送器软件开发 167
7.3.1 软件总体构成与工作流程 167
7.3.2 FPGA软件设计 168
7.3.3 DSP软件设计 175
7.4 气体超声流量计实流标定 180
7.4.1 基于可变阈值和过零检测方法的标定 180
7.4.2 基于回波峰值拟合信号处理方法的标定 185
7.4.3 基于回波上、下包络拟合信号处理方法的标定 188
7.4.4 基于回波能量积分信号处理方法的标定 189
参考文献 190
第8章 基于DSP和FPGA的四声道气体超声流量变送器 192
8.1 方案设计 192
8.1.1 四声道布置 192
8.1.2 系统组成 193
8.1.3 工作流程 196
8.1.4 设计要点 196
8.2 变送器硬件研制 198
8.2.1 驱动信号放大电路 198
8.2.2 回波信号调理与放大电路 201
8.2.3 发射/接收通道切换电路 206
8.2.4 高速DAC与高速ADC 209
8.2.5 DSP*小系统 210
8.2.6 FPGA*小系统 213
8.2.7 电源管理模块 214
8.2.8 串行通信和人机接口 217
8.2.9 系统防干扰设计 217
8.3 变送器软件设计 219
8.3.1 软件组成 219
8.3.2 工作流程 220
8.3.3 FPGA软件 220
8.3.4 DSP软件 225
8.4 信号处理方法中的关键点 227
8.4.1 FPU使用 227
8.4.2 “台阶法”异常值剔除 229
8.4.3 “双发双收”顺序 230
8.4.4 零相位滤波中数组翻转 231
8.4.5 上位机GUI程序实现 231
8.4.6 各声道权重系数确定 232
8.4.7 流量结果的Kalman滤波融合 233
8.5 标定结果 237
参考文献 239
第9章 基于MCU的低功耗单声道气体超声流量变送器 241
9.1 一次仪表介绍 242
9.2 变送器硬件研制 243
9.2.1 系统组成 244
9.2.2 激励电路模块 245
9.2.3 发射/接收通道切换电路 248
9.2.4 回波调理模块 249
9.2.5 信号处理模块 250
9.2.6 通信模块 252
9.2.7 电源管理模块 252
9.3 变送器软件开发 256
9.3.1 总体框图 256
9.3.2 主监控程序 257
9.3.3 激励模式 262
9.3.4 脉冲上传方式 266
9.3.5 其他软件模块 272
9.4 实验标定 277
9.4.1 实验装置 277
9.4.2 实验步骤 278
9.4.3 标定结果 282
9.4.4 不确定度分析 283
参考文献 291

第1章 气体超声流量计概述
　　1.1 气体超声流量计的重要性
　　近年来，气体超声流量计(又称气体超声波流量计)在天然气流量测量领域得到广泛应用，是大型天然气贸易计量领域一种重要的流量计量仪表。其具有无压损、测量准确度高、测量范围宽、无阻挡部件、便于安装、易维护、流量测量的影响因素少等特点，特别是在大口径管道的气体流量测量方面优势显著，满足天然气贸易计量的要求[1-4]。目前，国内天然气管道的贸易计量大多选用气体超声流量计，如“西气东输”管道的*选流量计就是气体超声流量计。随着“西气东输”“俄气南下”“川气东送”和“海气登陆”等国家重大工程的深入开展，以及油田天然气商品化项目的不断完善，无论在商业贸易中还是在工业生产中，人们对气体超声流量计的需求均不断增长，对气体超声流量计的测量技术和水平的要求也越来越高。目前，国内生产的气体超声流量计在技术性能方面与国外先进产品还有一定差距，因此在大型天然气贸易交接场合，使用较多的仍然是国外进口的气体超声流量计产品。
　　在一些小型气体贸易交接计量场合，同样需要气体超声流量计。在城市燃气、地暖用气、小商户用气、煤改气等场合，目前国内大多使用气体涡轮流量计进行交接计量。在计量过程中，气体涡轮流量计内部涡轮高速旋转易产生机械摩擦，因此需要经常加注润滑油进行保养，并且天然气、煤气中可能包含颗粒杂质，对内部涡轮的正常工作带来进一步影响。气体涡轮流量计对被测介质的清洁度要求较高，必须在流量计上游加装过滤器，以避免较大颗粒物损坏涡轮叶片。国外多家著名流量仪表公司，如日本爱知时计电机株式会社已研制出测量准确度为1级的低功耗单声道气体超声流量计来代替气体涡轮流量计，并应用于小型气体贸易交接计量场合，取得了良好的效果。目前，该产品已经推广到国内并产生了较大影响。国内流量仪表企业的技术水平有待进一步提高。
　　总之，随着“西气东输”等工程的深入开展，城市煤气、天然气管道化项目的有序建设，以及油田天然气商品化项目的不断完善，无论在商业贸易中还是在工业生产中，人们对气体超声流量计的需求均不断增长，对气体流量测量技术和水平也提出了更高要求。目前，成功应用于气体流量测量的仪表种类繁多，如孔板流量计[5，6]、涡街流量计[7，8]、涡轮流量计和超声流量计等。其中，在解决大口径、大流量气体流量测量方面，超声流量计*具优越性[9，10]。
　　表1.1.1为各种气体流量计性能对比。超声流量计管道内没有任何可动部件或者阻挡体，不仅降低了压损，提高了量程比，而且增加了传统流量计不具备的脉动流测量、双向流测量和湿气测量等功能[11]。
　　1.2 气体超声流量计简介
　　1.2.1 气体超声流量计测量原理
　　超声波在流体中传播时，实际的传播速度是超声波在静止流体中的传播速度叠加上流体在超声波传播方向上的流速。气体超声流量计就是利用接收到的超声波回波信号，测量气体的流速和流量。目前，气体超声流量计的主要测量方法有传播速度差法、多普勒效应法、相关法、波束偏移法和噪声法。
　　1.传播速度差法
　　传播速度差法是利用超声波在流体中传播时，顺流和逆流传播的速度之差与被测流体流速之间的关系来求取流速或者流量。按照所测物理量的不同，传播速度差法可以分为时差法、相位差法和频差法三种。
　　时差法是通过直接测量超声波在顺流和逆流状态下的传播时间差来计算气体流量[10，11]，一般应用于中口径、大口径的气体流量测量领域。在时差法中，当声速c一定时，流体流速v和传播时间差Δt呈正比例关系。因此，只要获得传播时间差Δt就可以计算出流体流速v。相位差法只是将传播时间差的计算转换为相位差的计算，以避免微小时间差的测量。因此，相位差法在一定程度上提高了测量准确度。频差法，即环鸣法[12]，该方法是由时差法和相位差法发展而来的，其基本原理类似于多个时差法的叠加，可以有效降低外界干扰带来的影响。但是，频差法的实现电路比较复杂。上述三种测量方法在本质上是相同的，根据收发换能器的布置方式，传播速度差法可分为V型、X型和Z型，如图1.2.1所示。
　　图1.2.1 传播速度差法的三种声道布置方式示意图
　　2.多普勒效应法
　　超声波在流体中传播时，会被跟随流体一起运动的颗粒反射到接收换能器，而接收到的反射声波与发射声波之间将产生频率差(多普勒频移)，该频率差与流体流速成正比。多普勒效应法是利用该频率差，间接获得流体流速或者流量的方法[13]，如图1.2.2所示。多普勒效应法的应用前提是：被测流体中存在足量的并且能够反射超声波的悬浮颗粒或者气泡[14]。
　　3.相关法
　　相关法是利用信号的相关检测技术来实现流体流速或者流量测量的方法。该方法是利用信号周期性和噪声随机性特点，通过互相关函数运算，计算两信号之间时间间隔的方法，如图1.2.3所示。两信号的互相关函数可以通过相关定理在频域中使用快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)计算获得，因此其对系统的运算能力要求很高，但是该方法需要的硬件少、抗干扰能力强[15，16]。
　　图1.2.2 多普勒效应法示意图
　　图1.2.3 相关法示意图
　　4.波束偏移法
　　超声波束在垂直于流体流动方向上传播时，流体的流动会使其产生偏移。波束偏移法就是依据这种偏移量的大小来实现流体流速或者流量测量的，如图1.2.4所示。波束偏移法的原理和装置简单，工业应用的可靠性高，比较适用于流速较高的场合，但在低速场合中该方法的灵敏度和精度都很低。
　　图1.2.4 波束偏移法示意图
　　5.噪声法
　　噪声法的原理是基于管道内气体流动产生的湍流或压力波动所引发的噪声信号，这些噪声信号(声学扰动)会随气体流速变化，通过检测噪声信号的特性(如传播时间、频率或相位差)来推算流速和流量。噪声法通常需要两个换能器，分别安装在管道的上游和下游，通过检测噪声信号在两个换能器之间的传播时间差或相关特性来计算流速。噪声法直接利用气体流动本身的噪声，无需外部激励换能器产生超声波。噪声法适用于测量大管径或高流速气体，原因是在高速或湍流强烈的气体中，噪声信号更显著。但是，噪声法存在的问题也很明显：信号微弱，现场的背景噪声会严重干扰流体测量，测量准确度和稳定性不高。
　　上述方法各有优缺点，在实际应用中，需要根据被测对象和精度要求进行选择。目前，在工业应用中，*普遍的方法是传播速度差法和多普勒效应法[17，18]。其中，随着基于传播速度差法中时差法的气体超声流量计在天然气贸易结算中的大规模应用，时差法的研究也越来越活跃[19]，这也是气体超声流量计采用的*有效的方法之一[20]。因此，本书选择基于时差法的气体超声流量计进行研究。
　　1.2.2 基于时差法的气体超声流量计工作原理
　　超声波穿过管道如同渡船横渡河流，如果气体没有流动，那么声波将以相同的速度向两个方向传播。当管道中的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的超声波将加快速度，而逆流传播的超声波将减慢速度。
　　基于时差法的气体超声流量计是根据超声波信号顺流和逆流的传播时间来计算气体流量的。超声波传播时间是指激励信号驱动发射换能器的起始时刻到接收换能器接收到回波信号的起始时刻之间的时间长度。声道长度是固定的，当管道内流速为零时，超声波声速不受外界影响，顺流和逆流的传播时间是相同的；当管道内有流体流动时，超声波声速就会受流体流速影响。如果流体在超声波传播路径上的速度分量与超声波传播方向相同，超声波声速就会增大，相应的传播时间就会减小，即顺流；如果流体在超声波传播路径上的速度分量与超声波传播方向相反，超声波声速就会减小，相应的传播时间就会增大，即逆流。以双声道气体超声流量计中的一对换能器为例，其原理示意图如图1.2.5所示。
　　图1.2.5 双声道气体超声流量计原理示意图
　　在图1.2.5中，声音传播路径(声道)长度为，声道与管道轴线所成锐角(声道角)为。当气体以速度在管道中流动时，由换能器A发射、换能器D接收的超声波信号的传播速度为，由换能器D发射、换能器A接收的超声波信号的传播速度为，声波在静止的气体中传播时的声速为，有
　　(1.2.1)
　　(1.2.2)
　　则对应的顺流传播时间和逆流传播时间分别为
　　(1.2.3)
　　(1.2.4)
　　由式(1.2.3)和式(1.2.4)进一步推算，可以得到管道中的气体在超声波传播声道上的平均流速的计算公式为
　　(1.2.5)
　　根据气体在超声波传播声道上的平均流速，可计算出相应的气体瞬时流量：
　　(1.2.6)
　　式中，为管道横截面面积；为一个与声道数量、声道分布及雷诺数等因素有关的修正系数[21，22]。由此可知，流量测量的关键在于准确地计算各声道的顺流传播时间和逆流传播时间，从而计算出气体的体积流量。
　　1.2.3 基于时差法的气体超声流量计结构组成
　　气体超声流量计由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表包括流量计管道和安装在管道上的超声换能器，二次仪表包括换能器激励与回波信号采集模块、回波信号处理模块、显示模块、通信模块和脉冲输出模块等。气体超声流量计的组成示意图如图1.2.6所示。
　　图1.2.6 气体超声流量计的组成示意图
　　根据管道中的超声波传输过程中是否经过管壁的反射，气体超声流量计中超声换能器的布置形式可以分为直射式和反射式，如图1.2.7所示。在直射式布置形式中，发射换能器和接收换能器位于管道两侧，发射换能器产生的超声波信号直接传输到接收换能器中。由于没有经过管壁的反射，直射式布置形式获得的回波