基于FPGA时差法气体超声波流量计的研究

发布时间：2020-10-08 16:53

　　超声波流量计是一种测量不同介质流量的仪器,它根据超声波在流体介质中传播时,流体介质的流速信息会包含在超声波信号中的原理,通过分析超声波信号来获取流体介质的流速信息。由于超声波流量计具有非接触式测量、精度高、维护简单等诸多优点,在工业生产测量方面有着广泛的应用。目前国内外超声波流量计的研究得到飞速发展,但是由于气体在管道内的流速分布非常复杂,在研制气体超声波流量计的过程中存在着许多难点,尤其在小流量情况下流量计的精确度和稳定性方面还没有得到很好解决,需要进一步的提高。通过参考大量文献可知,气体超声波流量计的精度不高,一方面是由于在区分超声波信号与杂波信号时出现误判的几率相对较高,另一方面在测量超声波传播时间时测时系统的精度不高,导致测量时间的误差较大。本文设计的气体超声波流量计系统主要采用以下几个改进措施来达到设计的要求,首先在硬件架构方面采用集成度较高的FPGA芯片代替了传统的单片机加CPLD的架构模式,简化了设计电路,提高系统的快速性。其次采用改进的时差法的算法消除了温度对流量计精度的影响,然后通过对信号的波幅和周期两个捕获条件准确的识别超声波信号和杂波干扰信号,同时运用脉冲计数法和边沿检测技术相结合的测时方法提高了流量计的精度。最后采用小波阈值降噪处理,通过降噪重构信号还原了真实值,进一步提高了流量计测量精度和稳定性。本文以上述几个方面的改进措施和创新点为核心,试制了气体超声波流量计的样机,以空气为介质完成了管道气体流速流量的测量,最后通过气体超声波流量计的对比实验得出样机的准确度较高,重复性较好,达到了预期要求,具有较好的市场应用前景。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TH814.92
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 气体超声波流量计研究背景
    1.2 超声波流量计国内外发展历程
    1.3 超声波流量计种类及分类方法
    1.4 超声波流量计测量原理
        1.4.1 时差法
        1.4.2 多普勒法
        1.4.3 相关法
        1.4.4 波束偏移法
    1.5 本文主要研究内容
    1.6 本章小结
2 气体超声波流量计理论分析与研究
    2.1 超声波的传播特性
    2.2 超声波换能器机理研究
        2.2.1 超声波换能器简介
        2.2.2 超声波换能器工作原理及性能指标
        2.2.3 气体超声波流量计换能器的安装方式
    2.3 时差法改进算法
    2.4 流体在圆形管道内流速分布分析
        2.4.1 层流状态下流速分布
        2.4.2 紊流状态下流速分布
    2.5 本章小结
3 系统方案和硬件设计
    3.1 超声波流量计系统总体设计方案
    3.2 超声波发射驱动模块硬件设计
    3.3 超声波接收信号处理硬件设计
        3.3.1 放大滤波电路
        3.3.2 比较电路
    3.4 FPGA硬件电路
    3.5 本章小结
4 FPGA设计中的关键技术
    4.1 FPGA开发环境介绍
    4.2 超声波信号捕获的原理及实现
        4.2.1 信号捕获
        4.2.2 延迟开窗技术
        4.2.3 高低测时频率设置
    4.3 高精度测时系统的设计
        4.3.1 传统测时方法
        4.3.2 边沿检测法
        4.3.3 边沿检测模块设计
    4.4 在线数据处理方法
        4.4.1 异常数据识别方法
        4.4.2 在线异常数据处理方法
    4.5 基于小波变换数据处理
        4.5.1 小波变换的基本理论
        4.5.2 时差数据小波阈值降噪分析
    4.6 本章小结
5 气体超声波流量计实验研究
    5.1 超声波流量计性能要求
    5.2 气体超声波流量计实验系统
    5.3 气体超声波流量计实验内容
        5.3.1 不同超声波探头对比实验
        5.3.2 气体流量计流量实验结果及分析
    5.4 误差分析
    5.5 本章总结
6 总结与展望
致谢
参考文献
附录

【参考文献】