低功耗气体超声流量计设计与实现
发布时间：2021-12-02 13:26
天然气是我国的主体能源之一,具有清洁、高发热量、价格低廉的优点,是建设清洁低碳、安全高效体系的重要组成部分。在天然气产供储销的各个环节中,科学的高效的计量手段都是重中之重。随着流量计的发展,在众多流量计中,超声波流量计在近年来得到了迅猛发展。但随着超声流量计的广泛应用,其功耗大、数据传输困难等问题也暴露出来,这些问题严重制约着超声波流量计的未来发展。目前,超声波流量计市场常年被外国产品占据。国产流量计的测量精度相对偏低,功耗偏高,在高精度测量领域有所不足。本文设计了一款低功耗、高精度的超声波气体流量计,用于低压燃气测量领域。流量计拥有两个型号,分别针对于DN50与DN80管径。本论文采用时差法测量原理,采用双通道测量的方式。使用C8051F960单片机作为控制模块核心,TDC-GP22作为时间测量芯片,设计了超声波流量计。在流量计设计中,本文提出了低功耗设计方案,并根据该方案完成了芯片的选型与硬件电路的设计。根据各信号的大小与性质不同,本文采用三个PCB板,分别是主控板、收发板与接口板。此外,为便于维护,本文单独设计了超声波获取与发射电路和信号处理电路,将其放置在独立的PCB板上,通过...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1时差法测量原理图
第二章基础原理与方案设计11更为复杂，但可以较为有效的抵消径向流速引起的误差。(a)(b)图2-2多通道布局。(a)平行式；(b)交叉式值得注意的是，无论交叉式布局还是平行式布局，均为管道横截面上的布置方式。从纵截面看，每个通道探头的布置方式仍同单通道相同，呈Z型。因此，其原理与单声道相同。同样利用顺逆流时间差进行流速测量。对多声道布局中的第i个通道，其声波传递路径上的流速为[25]：i(11)sin2iABiBAiivttD(2-5)其中，iD为通道的长度，i为该通道与管道夹角，ABit与BAit为该通道的顺流与逆流时间。根据通道的位置不同，各通道测的数据所占权重也各不相同。因此，在进行多声道流速测量时，需加权计算。多声道流量计的瞬时流速为：iiiVwv(2-6)其中，iw为通道i所占权重。燃气的瞬时流量为：22=22iiiDDQVwv(2-7)
第二章基础原理与方案设计13两相对交叉放置。出于工程制作考虑，令=51°，两通道的夹角相等，呈对称分布，因此，可认为两通道的权重相同。图2-3测量装置通过四个探头分别进行一次发送-接收数据，即可获取该时刻内管内流场分布的更多状况，从而得到更高精度的流量数据。2.2.3硬件系统设计2.2.3.1硬件整体结构超声波流量计系统的主要功能由三个模块实现：控制模块、测量模块与通信模块。当系统进行测量时，首先，由控制模块向时间测量芯片及超声波获取接收电路发出信号，使得相应的超声波换能器通道开启，并开始测量。时间测量芯片发出激励信号。激励信号通过驱动电路的变压器后，驱动换能器发出超声波。声波信号被对应换能器接收后，被转换成电信号。信号处理模块对电信号进行放大与滤波，并对信号进行处理。时间测量芯片接收到处理后的信号后，测出发出与接收到信号的时间差，并将结果传递至单片机。单片机对结果进行计算，得到流量数据并存入储存器中。根据功能，我们将系统划分为多个模块，图2-4为系统的硬件框图。控制模块，由单片机构成。控制模块是超声波流量计的核心，负责维持流量计的正常运转。测量模块由时间测量芯片、超声波获取与激励电路、换能器、信号处理电路构成。测量模块通过超声波换能器，实现超声波信号的发射与接受，并对传递时间进行测量。通信模块以NB-IoT模块和RS485通信电路组成，可以将存储的数据分别以有
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国天然气计量技术及展望[J]. 常宏岗,段继芹. 天然气工业. 2020(01)
[2]《中国天然气发展报告（2019）在京发布》[J]. 石文. 石油库与加油站. 2019(05)
[3]流量计量仪表的发展与展望[J]. 李紫平. 科技风. 2019(19)
[4]国内外天然气计量技术现状及发展趋势[J]. 常季成. 仪器仪表标准化与计量. 2019(02)
[5]超声波流量计在输气站的应用及误差分析[J]. 周刘杰. 中国石油和化工标准与质量. 2018(23)
[6]基于NB-IoT在智能燃气表行业的应用[J]. 孙秀良,李连. 计算机产品与流通. 2018(11)
[7]基于Zanker型流动调整器的平面双弯头流场特性研究[J]. 张巧玲,曹佳豪,杨振东,李国栋,薛文. 西安理工大学学报. 2018(03)
[8]我国微小流量计的发展现状和前景探讨[J]. 薛晔,李晶. 自动化仪表. 2016(10)
[9]国内天然气流量计选型及应用分析[J]. 邵文,宋丽敏,张玮. 中国石油和化工. 2015(03)
[10]超声流量计探头对流场及其测量性能影响研究[J]. 张朋勇,郑丹丹,徐天室,张力新,胡鹤鸣. 实验流体力学. 2011(03)
博士论文
[1]超声流量计声道设计与调整器流场优化方法研究[D]. 陈国宇.华南理工大学 2018
硕士论文
[1]气体超声波流量计高压驱动与信号处理技术研究[D]. 王艺林.浙江大学 2019
[2]带流动调整器圆形截面管道内流场分布特性研究[D]. 屈鑫鑫.西安建筑科技大学 2017
[3]基于相位差法的超声流量检测关键技术研究[D]. 杜婉玲.电子科技大学 2017
[4]低功耗气体超声流量计的研制[D]. 韩亘.中国计量大学 2017
[5]基于时差法的超声波流量检测技术研究[D]. 刘祥.电子科技大学 2016
[6]带流动调整器U型声道超声波流量计流场特性仿真及优化[D]. 黄侨蔚.华南理工大学 2013
[7]DN80型工业超声波燃气表的研制[D]. 钟连学.大连理工大学 2006
本文编号：3528530
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1时差法测量原理图
第二章基础原理与方案设计11更为复杂，但可以较为有效的抵消径向流速引起的误差。(a)(b)图2-2多通道布局。(a)平行式；(b)交叉式值得注意的是，无论交叉式布局还是平行式布局，均为管道横截面上的布置方式。从纵截面看，每个通道探头的布置方式仍同单通道相同，呈Z型。因此，其原理与单声道相同。同样利用顺逆流时间差进行流速测量。对多声道布局中的第i个通道，其声波传递路径上的流速为[25]：i(11)sin2iABiBAiivttD(2-5)其中，iD为通道的长度，i为该通道与管道夹角，ABit与BAit为该通道的顺流与逆流时间。根据通道的位置不同，各通道测的数据所占权重也各不相同。因此，在进行多声道流速测量时，需加权计算。多声道流量计的瞬时流速为：iiiVwv(2-6)其中，iw为通道i所占权重。燃气的瞬时流量为：22=22iiiDDQVwv(2-7)
第二章基础原理与方案设计13两相对交叉放置。出于工程制作考虑，令=51°，两通道的夹角相等，呈对称分布，因此，可认为两通道的权重相同。图2-3测量装置通过四个探头分别进行一次发送-接收数据，即可获取该时刻内管内流场分布的更多状况，从而得到更高精度的流量数据。2.2.3硬件系统设计2.2.3.1硬件整体结构超声波流量计系统的主要功能由三个模块实现：控制模块、测量模块与通信模块。当系统进行测量时，首先，由控制模块向时间测量芯片及超声波获取接收电路发出信号，使得相应的超声波换能器通道开启，并开始测量。时间测量芯片发出激励信号。激励信号通过驱动电路的变压器后，驱动换能器发出超声波。声波信号被对应换能器接收后，被转换成电信号。信号处理模块对电信号进行放大与滤波，并对信号进行处理。时间测量芯片接收到处理后的信号后，测出发出与接收到信号的时间差，并将结果传递至单片机。单片机对结果进行计算，得到流量数据并存入储存器中。根据功能，我们将系统划分为多个模块，图2-4为系统的硬件框图。控制模块，由单片机构成。控制模块是超声波流量计的核心，负责维持流量计的正常运转。测量模块由时间测量芯片、超声波获取与激励电路、换能器、信号处理电路构成。测量模块通过超声波换能器，实现超声波信号的发射与接受，并对传递时间进行测量。通信模块以NB-IoT模块和RS485通信电路组成，可以将存储的数据分别以有
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国天然气计量技术及展望[J]. 常宏岗,段继芹. 天然气工业. 2020(01)
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[3]流量计量仪表的发展与展望[J]. 李紫平. 科技风. 2019(19)
[4]国内外天然气计量技术现状及发展趋势[J]. 常季成. 仪器仪表标准化与计量. 2019(02)
[5]超声波流量计在输气站的应用及误差分析[J]. 周刘杰. 中国石油和化工标准与质量. 2018(23)
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[7]基于Zanker型流动调整器的平面双弯头流场特性研究[J]. 张巧玲,曹佳豪,杨振东,李国栋,薛文. 西安理工大学学报. 2018(03)
[8]我国微小流量计的发展现状和前景探讨[J]. 薛晔,李晶. 自动化仪表. 2016(10)
[9]国内天然气流量计选型及应用分析[J]. 邵文,宋丽敏,张玮. 中国石油和化工. 2015(03)
[10]超声流量计探头对流场及其测量性能影响研究[J]. 张朋勇,郑丹丹,徐天室,张力新,胡鹤鸣. 实验流体力学. 2011(03)
博士论文
[1]超声流量计声道设计与调整器流场优化方法研究[D]. 陈国宇.华南理工大学 2018
硕士论文
[1]气体超声波流量计高压驱动与信号处理技术研究[D]. 王艺林.浙江大学 2019
[2]带流动调整器圆形截面管道内流场分布特性研究[D]. 屈鑫鑫.西安建筑科技大学 2017
[3]基于相位差法的超声流量检测关键技术研究[D]. 杜婉玲.电子科技大学 2017
[4]低功耗气体超声流量计的研制[D]. 韩亘.中国计量大学 2017
[5]基于时差法的超声波流量检测技术研究[D]. 刘祥.电子科技大学 2016
[6]带流动调整器U型声道超声波流量计流场特性仿真及优化[D]. 黄侨蔚.华南理工大学 2013
[7]DN80型工业超声波燃气表的研制[D]. 钟连学.大连理工大学 2006
本文编号：3528530
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