时差式超声流量计的研究与硬件电路实现

论文摘要

当今在许多工业生产和科研活动中,流量测量是必不可少的。而超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点得到了广泛的应用,但是其仍有许多不足之处,因此有必要对其加以改进和提高。本文研究的是应用最广的时差式超声流量计。在充分查阅国内外大量资料,对能提高整个系统性能的几项关键技术进行了深入的研究,并完成了硬件电路和逻辑控制的设计。主要内容如下:1.研究了宽波束时差式超声波流量计的测量原理,并对宽波束流量计的计算公式进行了推导。研究了“环鸣法”测量小管径流量的方法,以及提出了提高精度的方法:精确获得测量时间、信号门、“环鸣”时间修正等方法,然后根据流体力学和物理学的知识,对超声流量计的进行了修正,给出了不同情况下的流量修正系数的计算公式。2.根据设计的具体情况,对时差式超声流量计的硬件电路进行了详细的分析,讨论了器件的选择和参数设计的问题,设计出单片机外围设计电路和FPGA(Field Programmable Gate Array)的控制电路部分,以及性能良好的接收发射电路,并对换能器的原理、性能指标进行了讨论。3.根掘设计的要求,通过FPGA进行了逻辑控制的设计,实现了发射电路的驱动脉冲,计时和计次电路,漏收计时和漏收计次电路,接收信号的处理,收发切换以及与单片机的读写通讯,“环鸣”时间修正逻辑,最后完成完整的“环鸣”控制逻辑的实现。4.对影响流体流量测量的各种误差来源进行了仔细的分析、研究。并对硬件电路和软件进行实验性验证,最终给出了实验结果,并给出进一步的改进措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流量计的发展历史和现状
• 1.3 流量计的分类及特点
• 1.4 超声流量计的概述
• 1.4.1 超声流量计的发展与现状
• 1.4.2 超声流量计的特点
• 1.4.3 超声流量计的分类
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 时差式超声流量计的理论研究
• 2.1 流量测量的基础
• 2.1.1 流量的基本概念
• 2.1.2 管内流动的基本知识
• 2.2 传统时差式超声流量计的原理
• 2.3 宽波束在时差式超声流量计的应用
• 2.3.1 宽波束流量测量原理
• 2.3.2 宽波束超声流量计的优点
• 2.4 宽波束时差式超声流量计的原理
• 2.5 利用“环鸣法”测流量
• 2.5.1 环鸣法
• 2.5.2 提高测量精度的方法
• 2.5.3 “环鸣法”的测量系统
• 2.6 超声流量计的流速的修正
• 2.7 本章小结
• 第3章 时差式超声流量计的硬件设计
• 3.1 控制电路部分设计
• 3.1.1 FPGA计数控制电路
• 3.1.2 单片机控制电路
• 3.2 键盘电路设计
• 3.3 接收发射电路设计
• 3.3.1 发射电路设计
• 3.3.2 接收电路的设计
• 3.4 电源电路设计
• 3.5 超声波换能器
• 3.5.1 换能器的原理及结构
• 3.5.2 换能器的主要性能指标
• 3.6 本章小结
• 第4章 时差式超声流量计的逻辑设计
• 4.1 硬件描述语言VHDL及 QUARTUS II简介
• 4.2 FPGA设计方法
• 4.2.1 系统设计
• 4.2.2 系统综合优化
• 4.2.3 系统实现
• 4.3 FPGA的逻辑设计
• 4.3.1 发射信号的设计
• 4.3.2 时间计数器和测次计数器
• 4.3.3 漏收计时器和漏收计次器
• 4.3.4 信号门和接收信号的处理
• 4.3.5 “环鸣”时间修正逻辑
• 4.3.6 与单片机的数据通讯
• 4.3.7 收发切换控制逻辑
• 4.4 本章小结
• 第5章 误差分析和实验结果
• 5.1 误差的研究
• 5.1.1 误差的基本理论
• 5.1.2 测量误差的来源
• 5.1.3 误差分析
• 5.2 流量的试验系统
• 5.3 试验结果
• 5.4 改进措施
• 5.5 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