天然气是一种优质、高效、清洁的化石能源,相比石油和煤炭而言,在安全性、排放量、开采成本等方面均具有明显的优势。目前已广泛应用于各个领域,在全球能源结构中所占比重可观,并呈现持续上升的趋势。与传统的流量计相比,超声波流量计具有测量精度高、量程比宽、维护成本低和气流阻力小等优点,因此引起天然气行业极大的关注。现有的时差式气体超声波流量计采用阈值触发、动态选择过零点的方式检测超声波信号渡越时间,在复杂的恶劣工况条件下表现出测量结果不可靠、过度依赖换能器性能与持续性跳波等严重缺点。为此,本文提出基于编码激发与特征波形检测的渡越时间测量方法,针对超声流量计的可靠性、稳定性与低功耗三个方面分别展开研究。具体工作内容如下:(1)针对传统阈值法在复杂工况下应用时表现出的不可靠性进行详细分析,分别在不同环境下进行了全面的信号测试,发现阈值检测法出现持续性跳波问题的根本原因在于气体介质、流速和温度等均会改变换能器的性能参数,导致回波信号的包络形态发生较大变化。(2)编码激发方案设计,依据换能器激发端存在的“残余振荡”现象,设计出“Φm+Φn”幅相调制激励脉冲,可产生特征明显的接收波形。然后搭建换能器收发系统等效电路模型进行仿真分析,同时搭建电路检测信号,确定了幅值相位调制脉冲的具体参数。随后进行可行性验证,结果显示若激发频率接近换能器谐振频率,则回波信号必然产生稳定的编码特征。(3)编码激发电路设计,灵活使用DSP的ePWM模块与中断功能,结合模拟开关、运放等元件,调制出理想的幅相编码激励脉冲。换能器接收电路设计,保证DSP内置ADC模块可准确地采集接收信号数据,编写了特征脉冲识别算法与动态甄选过零点算法。(4)编码激发方案系统设计,MSP430作主机搭建流量计的主体逻辑骨架,DSP作从机实现激励脉冲调制、回波信号检测、信号频率校验等功能,主机通过外设端口调用从机的功能模块。经工作时序调控,设计出一套完整的编码激发方案流量检测流程。(5)编码激发方案性能优化,通过回波信号频率检测法获得换能器的实时特征频率,下一次检测时更新激发方波脉宽,保证任意温度下的激发频率接近换能器谐振频率,有效地增强了编码激发方式气体超声波流量计对温度的可适应性。编码激发方案负压实流标定测试,按照国家标准中关于1.0级精度等级气体流量计的要求设计实验方案。在三种前置管段的安装条件下,使用DN50流量计依次进行实流标定,检定结果均达到了 1.0级精度要求。