天然气是一种高热值、低排放的清洁能源,其开发利用对于改善能源消费结构、应对气候变化以及促进可持续发展具有重要意义。近年来,我国先后实施了“西气东输”、“川气东送”、“俄气南下”、“海气登陆”等重大工程,建设了长约七万公里的天然气主干管网,所传输气体种类则包括常规天然气、煤层气、页岩气、LNG等。时差式气体超声波流量计因其高精度、宽量程、低压损等优势,被认为是天然气计量的首选仪表。然而,面对复杂管道环境和天然气组分变化,气体超声波流量计在实际应用中仍然存在一些问题,尤其是信号幅值波动、波形扭曲以及相频特性变化等导致的超声波渡越时间判定困难,严重影响其计量精度与测量可靠性。因此,通过技术与方法创新,提高时差式气体超声波流量计在复杂管道环境和复杂气源组分现场的测量精度与可靠性,具有重要意义。超声波渡越时间值的准确测量是时差式气体超声波流量计进行流量计量的基础。然而,现有的超声波渡越时间测量方法在时差式气体超声波流量计的复杂应用工况下会表现出测量不可靠、结果精度低以及测量性能受换能器特性影响等缺点。为此,本论文开展了基于智能算法和信号模型的超声波渡越时间测量方法研究,并分别在渡越时间测量可靠性、精确性和快速性三方面进行了相关工作,具体包括:(1)基于超声波信号指数模型,利用人工鱼群和粒子群联合算法进行了模型特征参数求解,并提出了可行解提取策略,解决了传统超声波形起始振动点检测算法易于陷入局部最优的问题,避免了起振点检测中的跳波问题,提高了算法在强噪声以及复杂工况下的起振点检测可靠性;(2)通过对超声波接收信号的频率特性分析,建立了含时变频率函数的超声波接收信号改进模型,将起振点检测误差降低为基于传统模型检测结果的1/3;(3)利用编码激发方法以保障接收信号具有相似的归一化幅值特征,利用波形之间的相似性比较以检测信号中的固定过零点,进而实现了超声波形起振点的快速定位,将算法运行时间降低为原来的1/3。最后,实现了各类工况下超声波渡越时间值的准确测量,为时差式气体超声波流量计在复杂天然气管网和多组分气源情况下的计量性能提供了基础保障。论文主要研究内容如下:1.基于人工鱼群和粒子群联合算法的超声波形特征参数判定对基于模型拟合的超声波形起振点检测方法进行了原理阐述,指出了现有的起振点检测算法在时差式气体超声波流量计中应用的不足之处,继而提出了基于人工鱼群和粒子群联合算法的超声波形起振点检测方法。该方法中,通过对人工鱼群迭代过程中输出结果的分布规律分析,提出了可行解提取策略。基于该策略,粒子群算法实现了起振点局部极值域的反复精细搜索,避免了由全局最优域被错误丢弃而引起的跳波问题。最终,从仿真对比和实验验证两方面对本论文提出的起振点检测算法进行了测量可靠性验证。2.含时变频率的超声波接收信号改进模型通过对流量计发射与接收电路的建模分析,揭示了超声波信号中的复杂瞬变频率特性,指出了基于传统超声波信号模型进行起振点检测时出现测量误差的根本原因。为了实现起振点的精确测量,提出了含时变频率函数的超声波接收信号改进模型,并利用TEO算子实现了超声波信号的瞬时频率求取。分别基于传统模型和改进模型,开展了不同瞬变频率曲线下的起振点检测,对提出的改进模型在起振点测量精确性提升上的意义进行了验证。3.基于增强型相似性判定的快速起振点定位方法研究了不同工况下的归一化超声波信号幅值特征,指出了温度是引起信号归一化幅值特征变化的主要原因。在此基础上,提出了基于相似性判定的快速起振点定位方法。通过对连续测量过程中接收信号之间的归一化幅值特征比较,实现了固定过零点的可靠检测和起振点的快速定位。通过对流量计发射与接收电路的建模分析,提出了基于编码激发的接收信号幅值特征控制方法,确保了接收信号在不同工况下都具有相似的归一化波形幅值特征,增强了上述快速起振点定位法的可靠性。通过仿真与实验,分别对基于相似性判定的快速起振点定位方法、编码激发方法和基于增强型相似性判定的快速起振点定位方法进行了可行性验证。4.智能起振点检测算法在时差式气体超声波流量计中的应用与验证将三部分研究内容综合应用到课题组开发的时差式气体超声波流量计上,并在实验平台上对基于智能拟合算法的超声波形起振点判定方法进行了综合验证。