基于时差法的超声波流量检测技术研究

发布时间：2017-10-02 14:38

  本文关键词：基于时差法的超声波流量检测技术研究

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【摘要】：近年来超声波技术应用于流量检测领域发展得很快。超声波在流动的流体中传播时,携带了流体流速的信息,可以通过不同的方法接收超声波,提取有关信息并计算出流体瞬时流速及其流量。目前应用较多的流量检测方法主要有时差法、多普勒法等。超声波流量计具有不阻碍流体运动的特点,而且特别适宜大流量或大管径的测量。时差法测量准确度较高,但它不适用于含固体颗粒的污水等流体流量测量,当流体流动速度较低时,也会产生灵敏度下降。多普勒方法在含悬浮颗粒、气泡等两相流动的流量测量中得到很好的应用。本课题基于超声波时差法流量测量原理,使用FPGA和DSP作为系统的控制与运算核心,采用连续正弦信号作为超声波激励信号,通过测量接收信号与发射信号之间的相位差来测量流量,并将时间碎片的测量累积转换为电容充电量的测量,设计了一种高精度、多功能的单相流体超声波流量计。首先对超声波流量技术的发展和研究背景做了简单介绍,然后介绍了基于时差法的超声波流量测量原理。接着根据超声波时差法流量原理提出了超声波流量计的测量方案,通过测量流速相对稳定的管道轴心线处流速,来得到管道内流体瞬时流量,并对可能影响测量方案精度的因素都做了分析,以及提出了可行的修正方案。在此基础上,设计了超声波流量计装置,包括信号发射与接收电路、充电测量电路、运算与控制核心电路等的设计,并对检测装置中各个模块分别进行调试和测试。针对设计的硬件装置,设计了相应的系统软件,以配合流量计完成管道内流体流量的测量。详细介绍了设计的超声波流量计采用的流量测量模型和超声波传感器,并设计了一套可以产生增量的匀速气流循环装置来对超声波流量计进行实际测试。接着对实验测试得到的数据进行分析,分析设计的流量检测装置的可靠性和稳定性等性能。最后,对课题工作的完成情况进行总结,并就当前完成的超声波流量计对课题未来的工作进行展望,以期进一步提高超声波流量计的流量检测性能。
【关键词】：流量检测 超声波 时差法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH814.92
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 课题的研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外关于超声波流量计的研究现状及发展态势11-13
• 1.3 本论文主要完成的工作和结构安排13-14
• 第二章 测量原理与方案设计14-26
• 2.1 超声波时差法流速测量基本原理14-15
• 2.2 测量方案设计15-20
• 2.2.1 测量原理15-17
• 2.2.2 测量方案17-18
• 2.2.3 重复累积测量18-19
• 2.2.4 测量过程时序图19-20
• 2.3 影响时差法测量原理精度的因素及修正20-25
• 2.3.1 管道内流体速度分布不均匀20-23
• 2.3.2 温度对超声波传输速度的影响23-24
• 2.3.3 传播路径偏差24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 系统硬件设计26-48
• 3.1 系统硬件结构26-28
• 3.2 测量装置模型及超声波传感器28-30
• 3.3 系统工作过程30
• 3.4 信号发射与接收电路30-36
• 3.4.1 信号发射电路30-32
• 3.4.2 信号接收电路32-34
• 3.4.3 方波转换电路34-35
• 3.4.4 微分电路与RS触发器35-36
• 3.5 充电测量电路36-41
• 3.5.1 充电电路设计37-38
• 3.5.2 充电电路的模拟测试38-39
• 3.5.3 充电电路的实时校准39-41
• 3.6 运算与控制系统电路设计41-45
• 3.6.1 程序下载电路41-43
• 3.6.2 复位及时钟电路43
• 3.6.3 交互接口电路43-45
• 3.7 系统电源设计45-47
• 3.8 本章小结47-48
• 第四章 系统控制逻辑与软件设计48-57
• 4.1 FPGA逻辑设计48-54
• 4.1.1 时钟分频模块设计49
• 4.1.2 脉冲产生模块设计49-51
• 4.1.3 充电模块设计51-52
• 4.1.4 时序控制模块设计52-53
• 4.1.5 系统复位模块设计53-54
• 4.2 DSP软件设计54-56
• 4.2.1 中断服务程序54-55
• 4.2.2 流量修正程序55-56
• 4.3 本章小结56-57
• 第五章 调试与实验57-78
• 5.1 实验测试平台57-58
• 5.2 信号发射与接收电路的调试58-63
• 5.3 模拟测量过程的调试63-66
• 5.4 气体流量测量实验66-77
• 5.4.1 静止状态测量实验66-68
• 5.4.2 流量增量测量实验68-72
• 5.4.3 流量定量测量实验72-76
• 5.4.4 系统误差分析76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 本课题工作总结78-79
• 6.2 未来的工作展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-83
• 附录83-84
• 攻硕期间取得的研究成果84-85

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本文编号：960157