超声波气体流量计在天然气流量计量中的应用

超声波气体流量计具有测量精度高、量程比大、压损小等优点，已被美国、荷兰、英国、中国等多个国家政府机构批准作为天然气贸易结算的法定计量工具，目前为止仅有少数厂家如美国Daniel、GE、日本爱知时计、上海中核维思等具备自主研发能力，其中，国外产品占据了超声波气体流量计绝大部分的市场份额。

不同于超声波液体流量计，超声波气体流量计中的超声波信号在气体介质传输过程中衰减大，而且超声波换能器工作频率普遍在40～200kHz之间，该频率范围段非常容易受声学噪声干扰，导致超声波接收信号信噪比低，渡越时间难以准确测量。通常提高管道内被测气体的压力可以提高超声波接收信号的质量，因此目前市面上的超声波气体流量计主要用于天然气流量计量。

由于受限于超声波接收信号的信噪比，超声波渡越时间检测的准确性较难提高，目前广泛用于超声波气体流量计渡越时间检测的算法主要有互相关法、阈值法等。

P．Brassier、王铭学等人利用回波法得到参考波形，与直接接收的超声波信号进行互相关计算得到渡越时间，完成流量计算，由于该方法的参考波形通过多次反射得到，在小管径环境中适应性较好，在较大管径中超声波信号由于衰减较大，难以保证稳定接收，因此该方法具有较大局限性; 季涛等人提出将多个静态无风环境下的接收波形作平均处理以构建参考波形，再与实际接收波形进行互相关计算得到渡越时间，由于忽略了温度压力等因素对超声接收波形包络形状的改变，因此该方法环境适应能力很有限。

汪伟等人采用可变阈值法用于超声波渡越时间计算，在音速喷嘴气体流量标准装置上完成了校准试验，试验结果表明该方法可以获得较高测量精度，该方法仅仅在标准大气压下进行试验，未进行更低压力环境的应用研究。

为了检验超声波气体流量计在低压环境的适应性，该文构建了压力试验平台，在该平台上完成了不同负压等级的信号衰减试验，分析了影响规律。进一步设计了带通滤波电路及自动增益控制电路，基于FPGA采用相对阈值法结合过零检测法实现了超声波渡越时间检测和流量计算，最后在工业性试验中检验了样机的测量精度。

编辑：fqj