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伪码相关时差法超声波气体流量计的研究

作　者: 杜海明
导　师: 张涛
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 超声波气体流量计 伪随机码 互相关 时差法 现场可编程门阵列(FPGA) 任意波形发生器 直接数字频率合成器(DDS)
分类号: TH814
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


超声波流量计作为一种非接触、易于安装维护的仪表在工业领域得到广泛的应用。在天然气计量领域,虽然孔板流量计仍是最主要的手段,但超声波流量计具有无可动部件、无压损、测量精确度高等优点,它的潜力和后发优势是很明显的。随着相关标准的发布和实用问题的探索,超声波流量计一定会在这一领域广泛推广应用。互相关时差法结合了传统时差法和相关法,继承了它们的优点,又克服了时差法触发时刻不容易确定、时间差难以直接精确测量,相关法被测对象不确定性、易受驻波影响等缺点。为了解决相关函数测量时间有限带来的误差,本文将伪随机码引入到互相关时差法的超声信号处理中来,它以其优良的双值自相关和周期性,可以实现对微小时间差的精确测量。对影响伪码相关结果的重要参数,如:码元长度,采样频率,伪随机序列总长度,伪随机序列周期个数等,进行了理论的分析,得出了参数选择标准。系统硬件电路主要包括超声信号的发射、接收和处理部分。发射部分设计了两种方案:数字式任意波形发生器和直接数字频率合成器。这两种方式均能直接产生经过调制的伪随机ASK(或FSK)信号,但它们有各自的优缺点和适用范围。超声信号接收处理电路的作用是从放大滤波后的信号中解调出伪随机信号,并将其稳定在一个固定的范围之内。这一部分电路由数字、模拟芯片实现,其中自动增益放大电路通过FPGA进行控制。使用任意波形发生器对本课题选用的SensComp发射/接收型压电陶瓷超声换能器进行了移频编码与调幅编码特性实验研究,发现该换能器不适合进行移频编码,当进行调幅编码时,需要选择合适的参数。通过实验方法选择了两种适用的伪随机调幅编码信号。系统调试成功后,将本设计伪码相关时差法超声波气体流量计在天津大学过程检测与控制实验室的常压气体流量实验装置上进行了试验测试,结果符合时间差与流速成线形关系的趋势,并且随着流速的增大,误差逐步的减小。对测试结果的误差来源进行了详细的分析,并提出了解决和进一步完善设计的方案。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 课题的研究背景及意义  8-9
  1.2 国内、外研究历史及现状  9-13
    1.2.1 超声波气体流量计产品及性能研究  10-11
    1.2.2 时差法超声波气体流量计研究  11-13
  1.3 本课题工作及主要创新点  13-14
  1.4 本文的内容安排  14-15
第二章 伪码互相关时差法超声波流量计原理  15-28
  2.1 时差法超声波流量计  15-20
    2.1.1 时差法流量测量原理  15-17
    2.1.2 时差法流量计算方程  17-18
    2.1.3 时差法误差分析  18-20
  2.2 基于互相关理论的时差法超声波流量计  20-22
  2.3 伪码相关测量系统  22-28
    2.3.1 伪随机码原理  22-24
    2.3.2 伪随机编码参数选择  24-28
第三章 驱动信号产生电路  28-47
  3.1 数字式任意波形发生器  28-38
    3.1.1 数字波形发生器的原理  28-30
    3.1.2 设计器件与参数选择  30-31
    3.1.3 正弦信号幅值离散化  31-32
    3.1.4 电路设计  32-35
    3.1.5 测试效果  35
    3.1.6 正弦波调制器的设计  35-38
  3.2 FPGA实现DDS  38-45
    3.2.1 DDS工作原理  38-40
    3.2.2 DDS的设计实现  40-45
  3.3 数字波形合成器与DDS的性能比较  45-47
第四章 信号处理电路及超声探头特性实验  47-61
  4.1 放大滤波电路设计  47-48
  4.2 包络检波电路  48-50
  4.3 自动增益放大电路的设计  50-56
    4.3.1 自动增益放大电路结构  50-51
    4.3.2 峰值检波电路  51-52
    4.3.3 A/D转换部分设计  52-54
    4.3.4 程控放大器设计  54-56
  4.4 超声波换能器编码特性实验  56-61
    4.4.1 移频编码超声波实验  56-58
    4.4.2 调幅编码超声波实验  58-61
第五章 系统试验与数据分析  61-74
  5.1 气体流量装置简介及试验方法  61-62
  5.2 数据Matlab分析方法  62-66
    5.2.1 相关分析  63-64
    5.2.2 数据插值与滤波  64-66
  5.3 超声波气体流量计试验结果及分析  66-71
  5.4 伪随机信号重构方法设计  71-74
第六章 总结与建议  74-75
参考文献  75-78
发表论文和参加科研情况说明  78-79
致谢  79

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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
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