基于时差法的超声波流量计设计

论文摘要

流量测量无论是在工业生产还是日常生活当中都有着不可忽视的作用,超声波流量计以其非接触式的测量方式以及测量范围广等优点受到众多科研人员的重视,而时差法超声波流量计作为超声波流量计中很重要的一种,具有测量精度高,适用范围广等优点。本论文详细给出了时差法测量流量的基本原理,并分析了影响测量精度的非理想因素的种类,产生原理和对测量结果的影响。在此基础之上,提出了各种设计方案,以消除非理想因素对测量结果的影响,提高测量的精度,主要包括信号强度检测电路的设计,解决了一般时差法流量计在安装过程中换能器无法完全对准造成的信号强度弱,导致测量精度下降甚至无法测量的问题;提出了电路对称以及电子通道互换的设计思路,消除了电路延迟以及温度变化所引起的时间测量误差;系统时差归零的设计方式可以抵消掉换能器性能不一致引入的时间差,使测量系统突破了以往换能器只能固定位置安装的限制,并使其可以适应不同环境不同温度下的测量,提高了系统的测量精度。系统的设计中采用了ACAM公司的新一代高精度的时差测量芯片TDC-GP2和TI公司的低功耗单片机MSP430F1611,并配以FAT32文件形式进行数据存储的CF卡以及读卡器电路设计,形成了一个可以脱离计算机独立工作,数据采集同时将数据以文件形式存储的流量测量系统。总线切换的电路设计又使计算机可以直接访问CF卡,将测量的结果以文件的形式读取和处理。最后在水池走车试验中验证了系统的测量精度和测量稳定性,达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声波流量计历史及现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 时差法流量计理论分析
• 2.1 基础量及时差法原理
• 2.1.1 流量测量基本量及单位
• 2.1.2 时差法基本原理
• 2.2 非理想状况分析
• 2.2.1 非理想的时差分析
• 2.2.2 温度影响
• 2.2.3 流场分布
• 2.2.4 流速模型与平均流速
• 2.2.5 换能器安装造成的影响
• 2.3 提高精度设计思路
• 2.3.1 电路对称及通道互换
• 2.3.2 系统时差归零
• 2.3.3 信号强度检测
• 2.3.4 时差测量方法简介
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 硬件整体结构
• 3.2 系统控制芯片选择
• 3.2.1 主控芯片的选择
• 3.2.2 CPLD 特点及选择
• 3.3 换能器选择及发射电路设计
• 3.3.1 换能器选择原则及匹配
• 3.3.2 发射驱动电路设计
• 3.4 外围辅助电路
• 3.4.1 实时时钟与键盘显示
• 3.4.2 数据存储及与计算机连接
• 3.5 接收处理及时差测量电路
• 3.5.1 时差测量电路
• 3.5.2 接收处理电路
• 3.6 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 主体流程
• 4.3 FAT32 文件系统
• 4.4 测量流程
• 4.5 信号强度检测方法
• 4.6 本章小结
• 第5章 试验及误差分析
• 5.1 流速测量试验
• 5.1.1 试验装置
• 5.1.2 模型简化分析
• 5.2 结果及误差分析
• 5.2.1 流量计的误差分析
• 5.2.2 测量结果及雷诺数补偿
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录