高精度小流量超声气体流量计的研究与优化设计

发布时间：2020-06-07 17:22

【摘要】：气体流量检测在化工、医学、环境保护和日常生活中起着重要作用,超声气体流量计具有非接触性、稳定可靠、测量精度高和安装简便等优势,在气体流量测量领域得到广泛应用。由于气体的特殊性和测量条件的多变性,超声气体流量计的性能还不够完善,有待进一步研究与分析。尤其是对小流量测量而言,依然处于研制和小范围使用阶段。因此,对基于超声检测的气体小流量测量的研究与测量系统的优化设计具有理论和实际意义。本文提出一种基于时差法超声检测的气体流量计设计方案,首先对其流量测量机理进行研究,设计一种针对小管径内气体流量的高精度检测方法。从超声气体流量计的测量不确定度出发,指出系统测量精度的关键因素并进行具体分析;采用增加超声传播声程和减小超声衰减系数的平行单声道安装法;在理论计算公式的研究前提下增加系统的温压补偿,提高检测精度;结合理论分析,建立了从PIC单片机、超声换能器、开关切换电路、放大滤波、比较模块再回到单片机系统的超声信号调理系统;设计了NTC热敏电阻测温电路和XGZP气体压力传感器模块,进行气体介质的温度和压力测量;软件设计部分详细介绍了超声气体流量计的气体流量测量流程,重点介绍了基于电平比较法的超声传播时长检测方法。通过串口通信将测量到的超声传播时长数据、温度和压力数据上传至上位机与标准气体流量数据进行整合,采用MATLAB进行最小二乘曲面拟合,从而得到经验公式相关系数,发送到下位机系统,将系数备份到EEPROM内;在实际测试过程中取出系数进行计算,将计算结果再通过上位机验证,验证通过之后进行数字滤波从而得到气体实时流量值。本文给出了详细的系统设计方案和具体的实验测试方案,对氧气和氮气的二元混合气体进行了实验测试,将系统测试结果与标准气体流量计测量结果进行比较,对流量测量结果进行了检验和误差分析,并提出修正方案。实验结果表明本文设计的超声气体流量计系统能够稳定运行并符合预期目标,能够实现针对小管径内气体流量的高精度测量,流量最大误差小于0.1L/min。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH814.92

【参考文献】

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本文编号：2701749