高精度超声波流量计的设计与实现

发布时间：2020-08-12 06:59

【摘要】：超声波流量计是一种非接触式的智能化的新型流量计,具有应用范围广、制造成本低、精度高、抗环境影响能力强等优点。但是,国内研制的超声波流量计在成本、精度、工艺和电路设计以及稳定性等方面都与国外水平还有较大差距。目前我国的石油开采、天然气勘探、航空制造、生物医疗等领域应用的超声波流量计大部分是国外超声波流量计产品,其成本高且维护难。因此,研发一种成本低、易安装、高精度、智能化的超声波流量计具有重要应用价值。由于超声波流量计涉及到的原理和算法较多,论文在已有的超声波流量计系统的基础上,引入新型时差法,以MSP430低功耗芯片为主控制芯片,以TDC-GP22为时间测量芯片,旨在设计一种切实可行的、满足国家标准的超声波流量计。首先介绍了本课题的研究意义、背景以及国内外的研究现状和发展趋势,以及超声波流量计的算法原理,分析了流场对超声波流量计带来的影响以及补偿系数的计算算法,阐述了影响超声波流量计的误差因素,在系统的设计过程中尽可能的避免这些因素的影响;然后根据本课题的系统总设计方案在硬件方面搭建基础的电路图,根据所确定硬件性能及参数,硬件电路包括超声波电路(包括温度检测电路以及换能器)、电源电路、M-Bus电路、LCD显示电路、光感应按键电路等;软件部分通过IAR软件平台完成编程以及调试;第三采用数字滤波技术,防止数据采集时出现的随机误差影响系统的不稳定;第四完成样机设计,并对样机进行测试,通过目前精确度较高的德鲁台进行测量,对M-Bus模块进行测试,分析确定能实现远程抄表的功能。最后分析测试结果,找到导致误差因素,并给出了修正措施。结果表明,该设计不仅能尽可能降低系统的功耗,能够解决人工抄表的问题;通过光感应模块代替按键切换屏幕,降低了成本,使超声波流量计更加功能智能化、体积越小化、功耗最低化。论文的主要贡献为:(1)给出了流量计的硬件设计电路图;(2)给出了流量计的软件设计流程图;(3)设计了一种超声波流量计,并对样机进行了性能测试和误差分析。
【学位授予单位】：西京学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH814.92
【图文】：

时差法,测量原理,换能器

别安装换能器 1 和换能器 2，在安装过程中存在一定的角度θ，如图 2.1 所示 1 为发送端，换能器 2 为接收端，此过程被称为顺流方向。通过电路转换，1 为接收端，换能器 2 为发送端，此过程被称为逆流方向。超声波在流体传播受到流体的影响，顺流传输时间1t 与逆流传输时间2t 必定会有存在差值 Δt ，出这个差值，便可以计算待测流体的流速v，流体的瞬时流量Q也会被计算出量原理如图 2.2 所示。

超声波,换能器,传输时间,发送端

安装换能器 1 和换能器 2，在安装过程中存在一定的角度θ，如图 2.1 为发送端，换能器 2 为接收端，此过程被称为顺流方向。通过电路转接收端，换能器 2 为发送端，此过程被称为逆流方向。超声波在流体到流体的影响，顺流传输时间1t 与逆流传输时间2t 必定会有存在差值这个差值，便可以计算待测流体的流速v，流体的瞬时流量Q也会被计原理如图 2.2 所示。图 2.1 时差法测量原理

层流状态,管内流速

状态[25]。来的流体流速v带入瞬时流量中可能带来极大的误差，一进行修正，计算流量时便会引入修正系数k ，k 就是管道均流速的比例关系，那么瞬时流量的计算公式为：4π2DvQ = kk 与雷诺数eR 的大小紧密相关，eR 由流体的粘度、管径和计算，当流体在管内流动时，eR 可表示为[26~27]：eevDRγ = 是流体速度，eγ 是流体运动粘度， D 是管道内径。低时，即雷诺数 ≤2300eR ，流体在管内流速为层流状态，很高时，即 ≥4000eR 时，管内流速为紊流状态，其分布为000时，管内流速为过渡状态，即为湍流状态，其分布既有]。如图 2.3 和图 2.4 分别为层流状态和紊流状态。

【参考文献】