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高精度网络化超声波热量表的研究

作　者: 张绪伟
导　师: 段培永
学　校: 山东建筑大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 超声波热量表渡越时间差法 AGC回路 UKF滤波 ZigBee网络
分类号: TB941
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在我国建设节约型社会的背景下,供暖收费过渡到按热量计量收费是大势所趋。现有的热量计量系统主要采用传统的水表技术,存在计量精度低、使用寿命短、待机时间短以及网络通信能力差等缺点,不能满足热量计量的高精度、高可靠性、及远程控制等要求。本文首先对超声波热量表的研究背景及国内外发展现状做了综述性分析,对亟待解决的关键问题进行了深入分析。其次,提出了一种基于渡越时间差法的高精度超声热量计量方法,深入系统的分析了超声波热量表的工作原理及组成结构,研究了渡越时间差法超声波流量测量的原理；采用电容充放电法实现温度测量,并将流量测量和温度测量统一归结为对时间的精确测量。选用高精度的计时芯片TDC-GP2实现了对时间的高精度测量,并选用内置ZigBee协议且基于SOC概念的通讯芯片CC2430实现自动组网、实时通信及网络管理。第三,本文提出将无线电信号处理领域中的AGC回路用于超声波流量测量系统,建立了AGC回路的数学模型,提出了基于模型的AGC回路可变增益和稳定时间的计算方法,与AGC的硬件电路设计方法,分析了AGC回路对超声波流量测量设备计算过程和性能的影响。通过仿真实验证明本改进方案可以提高系统接收信号的精度。第四,为了改善系统对回波信号的处理的精确度,本文将UKF滤波用于超声波流量测量,提出了使用UKF滤波算法来处理超声波回波信号,得到回波信号的包络线,并且将包络模型的参数作为UKF处理的状态向量。并根据流量测量的特点改进了UKF滤波运算过程,给出了UKF迭代开始及结束的条件。最后通过仿真实验证明UKF滤波性能优越及能够快速收敛。第五,在分析热量计量原理的基础上,采用K系数法对热量计算过程进行修正,并分析了误差产生的原因。设计了超声波发射、接收及放大电路,并且针对纳秒级时间测量,设计了时间数字转换模块,提高了热量表的计量精度。最后,为了满足超声波热量计量系统长时间独立工作的要求,在系统设计中尽可能的采用低功耗的器件及线路的低功耗设计方案。在论文最后提出解决功耗问题的新方法,并给出了尝试性的解决方案。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-15
  1.1 超声波热量表的研究背景及发展现状  10-11
  1.2 超声波热量表的特点  11
  1.3 超声波热量表的实现方案  11-12
  1.4 超声波热量表的关键技术  12-13
    1.4.1 超声波换能器  12
    1.4.2 时间差的测量  12-13
    1.4.3 信号处理与抗干扰措施  13
    1.4.4 超声波速度的漂移  13
  1.5 研究内容  13-14
  1.6 本章小结  14-15
第2章超声波流量测量技术的研究  15-32
  2.1 超声波流量测量原理  15-19
    2.1.1 超声波流量测量方法  15-16
    2.1.2 渡越时差法超声波流量测量  16-19
  2.2 超声波热量表中流量计的设计  19-26
    2.2.1 系统硬件设备的选择  19-21
    2.2.2 系统部分硬件电路的设计  21-26
  2.3 超声波流量计的软件系统的设计  26-30
    2.3.1 系统主程序  26-27
    2.3.2 系统中断服务程序  27-30
  2.4 系统误差来源及分析  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章高精度流量计量——AGC回路实现  32-42
  3.1 AGC回路的数学模型  32
  3.2 AGC回路的设计  32-34
  3.3 AGC回路的性能  34-40
    3.3.1 AGC回路的增益  35-37
    3.3.2 AGC回路的稳定时间  37-38
    3.3.3 AGC回路的性能分析  38-40
  3.4 AGC回路的引入对流量计算的影响  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章高精度流量计量——UKF实现  42-53
  4.1 Unscented Kalman滤波  42-45
    4.1.1 Unscented Transformation变换  42-44
    4.1.2 Unscented Kalman Filter(UKF)运算过程  44-45
  4.2 UKF在超声波流量测量中的应用  45-50
    4.2.1 超声波回波包络线  46-47
    4.2.2 测量过程  47-50
    4.2.3 流量计算的改进  50
  4.3 性能分析  50-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章温度测量与热量计算  53-64
  5.1 温度的测量  53-59
    5.1.1 温度的测量原理  53-54
    5.1.2 温度测量的实现  54-57
    5.1.3 TDC-GP2温度测量模块  57-58
    5.1.4 影响温度测量精度的因素  58-59
  5.2 超声波热量表的热量计算  59-61
  5.3 误差分析  61-62
  5.4 本章小结  62-64
第6章超声波热量表网络化的研究与实现  64-73
  6.1 ZigBee网络简介  65-70
    6.1.1 ZigBee通讯协议  66-67
    6.1.2 ZigBee网络的建立  67-70
  6.2 超声波热量表网络化的实现  70-72
    6.2.1 网络化的硬件实现  70-71
    6.2.2 网络化的软件实现  71-72
  6.3 本章小结  72-73
第7章总结与展望  73-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间论文发表及科研情况  81

高精度网络化超声波热量表的研究

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