超声波流量检测技术的研究

论文摘要

超声波流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有费用低，安装简便，不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力等优点，是一种非常理想的节能型流量计。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多地方不完善，没有得到普遍的应用，因而在科学技术迅速发展的今天，无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说，超声流量计的研究都将是一项极有意义的研究课题。本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。其中硬件系统以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A为核心，由于DSP芯片的信号处理速度快，就确保了本系统高的测量精度。硬件包括超声波信号的产生与功率放大、信号接收与放大，数据采集、存储、显示和DSP处理器系统；然后根据系统的硬件电路，引入先进的数字信号处理技术，在频域上对多普勒信号进行有效的处理；首先对多普勒频移信号进行采样，再进行FFT变换，进而得到该信号的功率谱，运用频谱细化分析方法对功率谱图进行分析，再加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率值，在此基础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。系统能够完成对超声波信号的发射和采集，基本能达到设计要求，由于实验条件的限制，系统具体的精度指标还无法测出。最后文章给出了系统的改进意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超声波流量计量仪表简介
• 1.1.1 超声波流量计特点
• 1.1.2 超声波流量计分类
• 1.2 超声波多普勒流量检测仪表的发展及现状
• 1.3 研究目的和内容
• 2 超声波多普勒流量检测原理
• 2.1 多普勒效应
• 2.1.1 声源运动，观察者相对静止
• 2.1.2 观察者运动，声源相对静止
• 2.2 工作原理
• 2.2.1 流量方程
• 2.2.2 有关流量方程的几点讨论
• 3 系统电路设计与实现
• 3.1 整体硬件结构框图
• 3.2 模拟部分电路设计
• 3.2.1 发射电路设计
• 3.2.2 接收调理电路设计
• 3.3 数字部分电路设计
• 3.3.1 TMS320LF2407A简介
• 3.3.2 DSP电源设计
• 3.3.3 DSP片外存储方案
• 3.3.4 D/A转换及4-20mA输出
• 3.3.5 DSP串口通讯
• 3.3.6 DSP的复位模块设计
• 3.3.7 JTAG仿真接口电路
• 3.4 印制电路板设计
• 3.5 本章小结
• 4 系统软件设计及数据处理
• 4.1 系统软件设计
• 4.1.1 DSP设计工具介绍
• 4.1.2 软件设计流程
• 4.2 数据处理
• 4.2.1 超声多普勒信号
• 4.2.2 数据处理的选择
• 4.2.3 随机误差的数字滤波方法
• 5 系统调试与分析
• 5.1 发射电路
• 5.2 接收调理电路
• 5.2.1 放大电路的调试
• 5.2.2 带通滤波的调试
• 5.2.3 混频电路调试
• 5.3 频差信号分析
• 6 结论
• 参考文献
• 附录A 超声波发射电路原理图
• 附录B 超声波接收调理电路原理图
• 附录C 数字信号处理电路原理图
• 在学研究成果
• 致谢
• 附图