超声流量检测信号处理技术研究

发布时间：2020-11-12 06:54

　　 目前的超声流量测量技术在面对颗粒多的流体信号衰减大、粘性大的流体速度场分布呈现一定差异等问题上还没有完善的解决办法,所以本文将从以上问题着手,重点研究上述条件下的超声流量检测信号处理技术。对TOF准确测量的研究,是准确校测流速的重要方法,而准确校测流速,是进行高精度流量检测的重要前提。本文主要从超声波信号在介质中的衰减补偿、收发信号电路设计、以及TOF测量方法的设计几方面入手,采用理论改进、电路设计、实验分析、结果对比的方法对超声流量检测信号处理技术进行研究。首先,本论文在传统的时差法基础上对影响超声波流量检测的因素进行分析,得到一种改进的时差式超声波流量测量理论;不同状态的流体流场规律不同,因此要对流场规律进行研究学习,并将流速补偿因子带入流量测量理论中。其次,由于流体性质不同,超声波在传播时的衰减程度也不同,为了提高超声流量测量的精度,本课题对超声波的衰减理论进行了详细分析,设计了可变增益超声波衰减补偿电路。本论文重点设计了可用于实验的超声流量检测硬件系统,该系统由超声波发射电路和回波信号处理电路以及外围电路组成。信号处理部分是以ATmega168单片机为主控,搭载德国Acam公司的TDC-GP22高精度计时芯片,对顺、逆流时间差进行精确测量。而后,本文在TDC-GP22的第一波检测功能的基础上对流量测量的关键技术进行研究改进,添加多阈值限制,提出一种基于多阈值的TOF测量方法,使测量结果更加精确可靠,同时,对系统的软件设计进行了介绍,包括初始化模块,计时模块等。在论文的最后,对本课题提出的信号处理方法进行了实验验证和数据分析,验证了方法的可行性和准确性,同时,也为下一步的改进和研究指明了方向。
【学位单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB553
【部分图文】：

古埃及部落便己出现了我们现在所谓的“堰”。因此，流量计作为一种有利于时代进步??的强需求产物便应运而生。??现代流量计的历史沿革如图１．１所示。１８５０年前后，以节式流量计的研究为标志，??开启了近代流量理论的研宄，并且如家用水表、煤气表等现代仪表也陆续走向市场。上??世纪初期，流量计的样式开始增多，如孔板式流量计、容积式流量计、浮子流量计等都??相继问世，与此同时，稀释法、示踪法等测量流量的方法也开始被成功应用。到了?２０??世纪５０年代，由于市场对流量仪表的庞大需求和电子技术的迅猛发展促进了电磁式、??涡轮式、超声式和涡街式等新型仪表的研发和问世，该时期研发的流量计广泛应用至今。??于２０世纪７０年代后期问世的科里奥利流量计也沿用至今。??为了解决不同环境、不同条件下、以不同介质为测量对象的测量难题，流量计的性??能日益完善，种类愈加丰富。进入本世纪后，新技术流量仪表的发展一日千里，超声波??流量计更是依靠其强大的自身优势在众多流量计中脱颖而出

传播时间不同，即传播速度不同，所以可以根据这一关系，求得流体的流速。同时，管??道的直径、长度等可以手动测量的参数都可视为己知条件，所以根据流体流量计算公式??很容易求得在某一段管道内的流体流量。时差法测量流速原理如图２．１所示。??Ｌ?］?．??换?＼?ｃ?／?＾?器３??／?０?＼??－…八??ｄＯ?０??＼?／?祕?＼?／??ＶＩ／?￣?＼ｙ??图２．１时差法原理图??Ｆｉｇ．２．１?Ｍｏｖｅｏｕｔ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ??设管道直径为ｄ，单位：ｍ；长度为Ｉ，单位：ｍ；流体流速为ｖ，单位：ｍ／ｓ；超??声波静态传播速度为ｃ，单位：ｍ／ｓ。根据图２．１可知：??当超声波顺流传播时，综合速度是超声波声速与流体流速相叠加后的结果，即ｃ?＋?ｖ，??贝ＩＪ，超声波顺流传播时间为：??Ｌ??（＼３?＝???ｃ?＋?ｖ?（２－１）??同理，逆流传播时，综合速度为超声波声速与流体流速相互抵消后的结果，即ｃ－ｖ，贝ＩＪ，??超声波逆流传播时间为：??Ｌ??ｈ＼?＝???ｃ－ｖ?（２－２）??那么，超声波在流体中顺逆流传播时间差为：??Ｌ?Ｌ?２Ｌｖ??Ａ／?＝?—???ｃ－ｖ?ｃ?＋?ｖ?ｃ２?－Ｖ２?（２－３）??由于流体的流速与超声波在流体中的传播速度相差几个数量级，则有ｃ２？ｖ２，那??－１１?－??

传播时间不同，即传播速度不同，所以可以根据这一关系，求得流体的流速。同时，管??道的直径、长度等可以手动测量的参数都可视为己知条件，所以根据流体流量计算公式??很容易求得在某一段管道内的流体流量。时差法测量流速原理如图２．１所示。??Ｌ?］?．??换?＼?ｃ?／?＾?器３??／?０?＼??－…八??ｄＯ?０??＼?／?祕?＼?／??ＶＩ／?￣?＼ｙ??图２．１时差法原理图??Ｆｉｇ．２．１?Ｍｏｖｅｏｕｔ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ??设管道直径为ｄ，单位：ｍ；长度为Ｉ，单位：ｍ；流体流速为ｖ，单位：ｍ／ｓ；超??声波静态传播速度为ｃ，单位：ｍ／ｓ。根据图２．１可知：??当超声波顺流传播时，综合速度是超声波声速与流体流速相叠加后的结果，即ｃ?＋?ｖ，??贝ＩＪ，超声波顺流传播时间为：??Ｌ??（＼３?＝???ｃ?＋?ｖ?（２－１）??同理，逆流传播时，综合速度为超声波声速与流体流速相互抵消后的结果，即ｃ－ｖ，贝ＩＪ，??超声波逆流传播时间为：??Ｌ??ｈ＼?＝???ｃ－ｖ?（２－２）??那么，超声波在流体中顺逆流传播时间差为：??Ｌ?Ｌ?２Ｌｖ??Ａ／?＝?—???ｃ－ｖ?ｃ?＋?ｖ?ｃ２?－Ｖ２?（２－３）??由于流体的流速与超声波在流体中的传播速度相差几个数量级，则有ｃ２？ｖ２，那??－１１?－??
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本文编号：2880417