基于超声波的管道流体温度测量方法研究

发布时间：2017-09-16 09:35

  本文关键词：基于超声波的管道流体温度测量方法研究

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【摘要】：超声波温度传感器的物理基础超声波波速会随着介质温度变化而变化的特性,实现超声波波速与介质温度的数学建模是声学温度计的主要思路。时差法是超声波波速测量的方法之一,如何精确计算超声波在介质中传播时间,是超声波温度测量系统设计过程中的重点和难点。课题主要研究内容如下:1、本文针对温度测量的高精度和快速响应需求,采用FPGA作为主控芯片进行系统硬件设计,搭建超声波输出信号驱动电路和高速信号采集系统,实现2MHz超声波信号发射和采集。设计RS232串口通讯电路实时传输采样数据,通过上位机编写Lab VIEW程序,直观的查看波形和温度变化趋势。2、应用Verilog HDL硬件描述语言进行软件设计,针对不同的外围模块和信号处理需求,采用自顶而下的设计方式将系统分割为八个行为级的功能模块。主要包括:以DCM为基础,搭建时钟管理模块;结合DDS和正弦波LUT,控制超声波激励信号的输出;使用串口通讯实现上位机和下位机的数据交互,设计了指令解析功能;使用大量的IP核优化了系统结构,如FIR数字滤波器、双口RAM存储器等;高速信号采集控制,系统工作流程控制状态机的设计。3、在过零点时差法计算方法的基础上,使用精确延时采集信号的方式,优化了信号存储量和数据分析量,设计了实时特征波提取和过零点搜索算法,超声波传播时间的测量精确到纳秒级。4、对系统进行了仿真、调试和验证,分别对特定流体进行静态实验和动态实验,根据超声波传播时间实验数据分析结果,建立了超声波波速和介质温度的数学模型。重复性和不确定度分析结果表明,该系统达到了设计目标。
【关键词】：FPGA 声学温度计 时差法 DDS Verilog HDL
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK311
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-8
• abstract8-14
• 1 绪论14-21
• 1.1 课题研究的背景和意义14-15
• 1.2 超声波测量流体温度原理15-18
• 1.2.1 时差法15-16
• 1.2.2 脉冲回鸣法16-17
• 1.2.3 脉冲迭加法17-18
• 1.2.4 共振干涉法18
• 1.2.5 相位比较法18
• 1.3 超声波测温技术国内外研究现状18-20
• 1.4 课题研究主要内容20
• 1.5 本章小结20-21
• 2 超声波管道流体温度测量硬件系统设计21-31
• 2.1 系统总体设计方案21-22
• 2.2 超声波换能器选型22-23
• 2.3 FPGA选型简介23-26
• 2.4 电源模块26-27
• 2.5 超声波脉冲发送电路27-28
• 2.6 高速信号采集电路设计28-30
• 2.7 本章小结30-31
• 3 软件系统设计31-46
• 3.1 FPGA开发环境介绍31-32
• 3.2 DCM时钟管理模块32-33
• 3.3 超声波信号发射控制33-35
• 3.4 滤波器设计35-38
• 3.4.1 滤波器类型选择36-37
• 3.4.2 FIR数字滤波器设计37-38
• 3.5 双口RAM存储器和存储优化设计38-39
• 3.6 特征波提取和时差计算39-42
• 3.7 综合控制42-44
• 3.8 上位机软件设计44-45
• 3.9 本章小结45-46
• 4 系统调试及数据分析46-62
• 4.1 超声波管道流体温度测量系统性能测试46-48
• 4.1.1 超声波信号发送和采集性能验证46-47
• 4.1.2 数字滤波器效果验证47-48
• 4.2 静态实验结果分析48-55
• 4.2.1 静态实验平台介绍48-49
• 4.2.2 硅油介质的温度-波速数学建模49-53
• 4.2.3 静态测量标准不确定度评定53-55
• 4.3 动态实验结果分析55-61
• 4.3.1 动态实验平台介绍55-57
• 4.3.2 水介质温度-波速数学建模57-59
• 4.3.3 动态流体温度测量不确定度评定59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 5 总结与展望62-64
• 5.1 论文总结62
• 5.2 展望62-64
• 参考文献64-67
• 作者简介67

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本文编号：862270