超声波气体流量测量技术与应用研究

理论与工程应用实践紧密结合，为超声波流量计技术研发提供直接的理论方法与设计技术。

本书全面深入地探讨了超声波气体流量测量技术及其在流量计设计中的应用。从理论分析、系统建模、实验验证及应用实践等多个维度，详尽地介绍了超声波流量测量的基础原理和先进技术。本书共分8章：第1章为绪论，概述超声波气体流量测量技术；第2章为超声波流量测量原理与建模；第3章为超声波流量计结构设计；第4章为多声道超声波气体流量测量机理建模与仿真研究；第5章为超声波流量测量高精度测时技术研究；第6章为超声波信号处理技术研究；第7章为多声道气体超声波流量计的实验与校准；第8章为超声波燃气表的实验与校准。本书不仅适合作为高等院校相关专业的教材使用，也可作为从事此领域研究与开发的科研人员和工程技术人员的参考资料和实用指南。

李跃忠，男，博士，教授，江西省高校中青年骨干教师，硕士研究生导师，现任东华理工大学机械与电子工程学院副院长。主要从事检测技术与自动化装置、智能装备与系统研究。主持与完成国家自然科学基金 2 项、中国博士后科学基金 1 项、省级科研项 目 7 项、市厅级及企事业委托项目 20 余项。发表学术论文 60 余篇（SCI、EI 检索论文 30 余篇），授权发明、实用新型专利和软著 20 余项，出版专著 3 部。作者在工业流量测量方法与流量计方面，作为博士论文课题完成了“多声道气体超声波流量计关键技术研究”；2010年以来，相关应用基础研究分别获得国家自然科学基金2项、中国博士后科学基金1项、江西省自然科学基金1项；相关技术研究获得江西省科技厅科技支撑计划项目、江西省重点研发计划项目；并获得国内三家企业技术委托横向项目，相应成果已提交给委托企业。

1绪论(1)1.1研究背景与意义(1)1.2国内外发展趋势与研究现状分析(2)1.2.1国内外发展趋势(2)1.2.2超声波流量计的应用(3)1.2.3国内外研究现状(5)1.3研究的方法和内容(10)2超声波流量测量原理与建模(12)2.1时差法超声波气体流量测量工作原理分析(12)2.1.1超声波管道流量传感器的基本结构(12)2.1.2时差法超声波气体流量测量工作原理(13)2.1.3多声道超声波气体流量测量基本工作原理(14)2.2超声波气体流量测量的影响因素分析(15)2.2.1流速修正系数的修正与测量精度的提高(15)2.2.2超声波信号对流量测量的影响(17)2.2.3测量时间对流量测量的影响(19)2.2.4复杂流场对流量测量的影响(21)2.2.5安装效应与仪表壳体几何尺寸误差的影响(22)2.3高精度气体超声波流量计的仿真研究(22)2.3.1高精度超声波气体流速公式的导出(23)2.3.2n值的计算(24)2.3.3KC及其对测量精度的影响(24)2.3.4流速分布曲线分析(25)2.3.5实验结果(25)2.3.6仿真小结(26)2.4互相关法超声波流量测量原理分析与建模(27)2.4.1互相关法(27)2.4.2互相关法在相位差法中的应用(27)2.4.3插值原理(30)2.4.4基于互相关法的超声波流量计在时差计算中的研究(31)2.5本章小结(35)超声波气体流量测量技术与应用研究目录3超声波流量计结构设计(36)3.1插入式超声波流量测量管道结构设计与仿真研究(36)3.1.1插入式超声波流量测量管道结构设计(36)3.1.2插入式超声波流量测量管道仿真研究(37)3.2外夹式超声波流量计结构与仿真研究(39)3.2.1外夹式超声波流量计结构(39)3.2.2外夹式超声波流量计仿真研究(40)3.3多声道超声波流量计测量管道结构和声道分布与仿真研究(44)3.3.1多声道超声波流量计测量管道结构和声道分布(44)3.3.2多声道超声波流量计仿真研究(47)3.4超声波燃气表结构设计与仿真研究(57)3.4.1流速分布研究(57)3.4.2超声波燃气表结构设计(59)3.4.3超声波燃气表仿真研究(61)3.5本章小结(65)4多声道超声波气体流量测量机理建模与仿真研究(66)4.1多声道气体超声波流量计流量测量机理建模(66)4.1.1多声道超声波气体流量传感器结构分析(66)4.1.2弦向声道超声波气体流速公式的导出(68)4.1.3多声道气体超声波流量计气体体流流速公式导出(69)4.1.4多声道超声波气体体积流量公式的导出(70)4.2基于高斯数值积分方法的换能器位置确定和加权系数计算(72)4.2.1高斯勒让德积分方法(73)4.2.2高斯雅可比积分方法(75)4.3模型分析与仿真研究(76)4.3.1模型误差分析(76)4.3.2模型修正与误差分析(77)4.4基于神经网络算法的多声道气体超声波流量计仿真研究(80)4.4.1换能器位置的确定及神经网络的构建(80)4.4.2加权系数的线性神经网络求解(81)4.4.3误差分析(81)4.5本章小结(82)5超声波流量测量高精度测时技术研究(84)5.1ACAM公司计时电路的设计与分析(84)5.1.1ACAM公司的TDCGP系列计时电路(84)5.1.2ACAM公司计时电路的典型应用(86)5.2TI公司独立计时电路在高精度电路设计中的应用与研究(95)5.2.1TDC1000配合TDC7200的高精度流量测量(96)5.2.2TDC测时芯片的典型应用(101)5.3TI公司混合微处理器在高精度计时电路中的应用与研究(106)5.3.1TI 公司MCU高精度计时电路MSP430(106)5.3.2TI公司混合微处理器计时电路的典型应用(111)5.4基于FPGA高精度计时电路设计技术研究(114)5.4.1FPGATDC高精度计时电路(114)5.4.2FPGA高精度计时在超声波流量测量中的应用(118)5.5本章小结(122)6超声波信号处理技术研究(123)6.1超声波发射与接收电路设计技术研究(123)6.1.1超声波发射过程电路设计(123)6.1.2超声波接收过程电路设计(125)6.2超声波回波信号检测技术研究(127)6.2.1基于静态峰值分布的超声波回波信号检测方法(127)6.2.2基于曼哈顿距离快速判别回波信号特征点定位方法(130)6.2.3基于峰值检测的变阈值、变增益超声波回波检测(134)6.3超声波回波信号到达时刻点判别阈值设置技术研究(135)6.3.1阈值法和1/2 VCC“零点”检测法(135)6.3.2基于离散信号相关性的回波信号动态阈值(137)6.4超声波传播时间(差)数据处理技术研究(140)6.4.1改进的卡尔曼滤波算法(140)6.4.2频率估计算法研究(144)6.5本章小结(152)7多声道气体超声波流量计的实验与校准(153)7.1多声道气体超声波流量计样机电路设计(153)7.1.1气体超声波流量计硬件总体方案(153)7.1.2气体超声波流量计的硬件设计(153)7.1.3换能器驱动与回波信号接收电路设计(154)7.1.4电源供电电路设计(157)7.1.5通信电路设计(157)7.1.6其他外围电路设计(157)7.2多声道气体超声波流量计程序设计(161)7.2.1总体系统软件方案(161)7.2.2系统监控主程序(161)7.2.3系统子模块介绍(162)7.3实验室气体流量标准装置下校准实验研究(169)7.3.1超声波流量计性能测试(169)7.3.2检定结果与误差分析(172)7.4高压气体流量标准装置下校准实验研究(174)7.4.1双声道气体超声波流量计样机(174)7.4.2流量计样机仪表系数修正(174)7.4.3检定实验(178)7.5本章小结(182)8超声波燃气表的实验与校准(183)8.1超声波燃气表总体方案设计(183)8.2系统硬件电路设计与实现(184)8.2.1微处理器电路设计(184)8.2.2TDCGP22时间测量电路(186)8.2.3换能器驱动与信号通道切换电路(186)8.2.4回波信号处理电路(188)8.2.5电源供电电路(193)8.2.6其他外围电路(195)8.2.7硬件实物图(197)8.3系统软件设计与实现(197)8.3.1低功耗程序设计(197)8.3.2回波信号特征点定位方法实现(198)8.3.3流量测量程序设计(200)8.4超声波燃气表企业校准实验研究(201)8.4.1检定要求(201)8.4.2检定实验装置(201)8.4.3检定方法与流程(202)8.4.4超声波燃气表检定结果与分析(204)8.5本章小结(207)参考文献(208)

采用非接触式测量方式的超声波流量计在气体、液体和蒸汽的体积流量测量中具有独特的优势，在工业界应用已有30多年的历史。在油气、天然气、煤气等气体输送和分配过程中，其流量测量和计量精度直接影响输送和分配企业的经济效益。然而，在气体超声波流量计和天然气超声波流量计(以下简称超声波燃气表)产品研发中，还有数学机理建模、结构优化设计、高精度超声波传播时间测量技术、仪表系数修正等关键技术问题值得深入研究。据此，本书基于科研项目的深入研究，全面探讨了超声波气体流量测量过程的关键技术。完善了数学机理的建模，实现了结构优化设计，研究了高精度超声波传播时间测量技术，并对仪表系数进行了修正。研制了超声波发射与接收电路、高精度计时电路，完成了系统程序的设计、流量测量不确定度分析等超声波气体流量测量的关键技术研究内容。研制了多声道超声波流量计及高精度超声波燃气表，并完成了校准实验和数据分析。为提升超声波流量测量技术提供了全面的理论支持和实用方案。本书得到了“电子科学与技术”江西省“十四五”一流学科建设项目、国家自然科学基金项目 (61663001)、江西省科技厅重点研发计划(20212BBE53033)的资助。本书是著者在近10年来开展超声波流量测量技术研究科研项目积累的资料基础上撰写而成的，参与所涉及项目的主要硕士研究生包括冯伦宇、曾令源、何亮、陈倩、任增强、张志君、李萌、刘建昌、祝飘霞、陈瑶等；此外，陈佳怡、胡浩等硕士研究生参与了资料整理与书稿校核工作。著者在撰写本书的过程中参考或引用了国内外一些专家学者的论文、论著，在此一并表示感谢。此外，由于水平所限、时间仓促，书中疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。