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基于相关法的内置超声波流量测量技术研究

作　者: 闫增添
导　师: 许会
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 超声波流量测量 探头特性 相关法 信号处理
分类号: TH814.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 45次
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内容摘要


超声波流量测量在人们的生产生活中有着广泛的应用，超声波在介质中传播时载有流体信息，通过不同的测量手段把信息转换为流速流量等需求的物理量。本课题是基于相关法的竖管超声波流量测量，把探头置于管道内，利用顺逆流时超声波由发射探头抵达到接收探头的时间不同，通过计算时间差来进行流速的测量，进而得出流量。影响流量测量精度的关键是传播时间的测量。传统的时间差计算是将接收到的波形，通过设置阈值电压，进行阈值检测，将处理后的信号进行计数。由于介质中的各种干扰会导致波形不稳，使得计数存在一定的误差。针对以上问题，在时间差的测量上采用互相关法来求时间差，由于相关法本身具有一定的滤波去噪的特性，接收到的信号中带来的各种干扰在采样相关后不会影响测量的准确性。本文设计以FPGA为核心，通过FPGA作为发射源，提供驱动咏冲，为了解决等幅周期信号在相关计算后的多值性，设计幅度调制的发射信号。系统中包括相应的接收放大滤波电路，探头切换电路，采样电路等。设计中将超声波收发一体探头相对一定距离放置，将两个接收探头放置在收发一体探头旁边，接收发射端的信号。通过FPGA设计定时控制模拟开关进行探头顺逆流的发射接收切换，分别将顺流和逆流时的发射端接收到的信号与接收端接收的信号进行放大滤波等处理，处理后进行采样，采样后的数据传到Pc上进行相关计算可以求得时间差。对实验装置进行试验，分析和测试了实验环境影响因素和测试距离测量引起的时间差误差。针对所设计的系统在实验室条件下对时间差测量数据进行了测量和验证。结果表明，该超声实验装置在计算时间差上与理论值误差小于2us。

全文目录


摘要  5-6
abstract  6-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 课题研究背景和意义  11
  1.2 国内外发展状况  11-12
    1.2.1 国外发展状况  11-12
    1.2.2 国内发展状况  12
  1.3 超声波流量计的分类  12-19
    1.3.1 按测量原理  13-17
    1.3.2 超声波流量测量的方法比较  17-18
    1.3.3 按探头安装方式  18-19
  1.4 本次设计任务  19-20
第二章 测量方法分析及探头安装方式  20-25
  2.1 方案论证  20
  2.2 超声波测量流量的方式选择  20-24
    2.2.1 流量测量定义  20-21
    2.2.2 流量测量原理  21-22
    2.2.3 超声波相关法原理  22-23
    2.2.4 超声波测量流量探头安装  23
    2.2.5 超声波测量流量基本公式  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第三章 超声波流量计的硬件设计  25-45
  3.1 超声波流量测量硬件电路结构概述  25-26
  3.2 超声波发射设计  26-38
    3.2.1 超声波探头型号选择  26
    3.2.2 超声波探头特性分析  26-32
    3.2.3 波形分析  32-34
    3.2.4 驱动咏冲设计  34-36
    3.2.5 超声波探头匹配  36-37
    3.2.6 发射电路  37-38
  3.3 探头切换电路  38
  3.4 接收放大电路  38-40
  3.5 滤波电路  40-41
  3.6 数据读取单元  41-42
  3.7 电源电路  42
  3.8 中央控制电路  42-44
  3.9 本章小结  44-45
第四章 超声波流量计的流程及算法  45-54
  4.1 系统的软件设计流程  45
  4.2 相关函数算法研究  45-50
    4.2.1 相关法定义  45-46
    4.2.2 相关函数算法  46-47
    4.2.3 求函数最大值算法  47-48
    4.2.4 Matlab 计算互相关函数过程及误差  48-50
  4.3 算法仿真  50-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章 系统调试及实验测试  54-66
  5.1 装置的软件调试系统  54
  5.2 系统实验装置及电路测试  54-57
    5.2.1 发射电路  55
    5.2.2 接收电路  55-56
    5.2.3 滤波电路  56-57
    5.2.4 电源电路  57
  5.3 相关法测时间差  57-61
    5.3.1 测量条件及思想  57-59
    5.3.2 超声波声速判定  59-60
    5.3.3 距离误差测定  60
    5.3.4 时间差测量  60-61
  5.4 试验测量装置及结果  61-65
  5.5 本章小结  65-66
第六章 结论  66-68
参考文献  68-70
附录A系统硬件电路图  70-71
在学研究成果  71-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 热工量的测量仪表 > 流量测量仪表 > 超声波流量计
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