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基于超声波的流量测量技术的研究

作　者: 李小娜
导　师: 王志春
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 超声波流量仪时差法相关法 STM32 自动增益调整
分类号: TH814
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 237次
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内容摘要

超声波在流体中传播时,会携带其流速信息,超声波流量计就是通过提取这些信息来测量流量的。本文开发了一套用于巡检高炉冷却循环水流量的超声波测量装置,以改善目前其测量成本高、维护不便、备件多、对工人技术水平要求高的现状。论文从高炉冷却水的实际情况出发,系统确定了采用时差法测量原理,探头采取U法安装,以32位ARM Cortex-M3系列单片机STM32F103RE作为处理器,达到1%测量精度的整体方案。论文对超声波收、发电路的设计和工作过程进行了详细的研究和论述,并且在电路设计和PCB设计的过程中重点考虑了抗干扰技术,最终获得了幅值稳定、波形清晰、信噪比高的接收信号,为后续软件设计提供了良好的基础。在时差法超声波流量测量中,系统的精度主要取决于时差的精度。本文采用高速计时与相关算法相结合的方法测量时差:在发射超声波的同时启动高速计时,当接收信号的幅值大于比较器的阈值时停止计时,并唤醒高速模数转换器AD9237开始采集接收信号。在顺、逆流的采集完成后,对采集数据进行互相关运算,以补偿高速计时测得的时差,最终实现了时差的高精度测量。软件中,还对温度引起的超声波传播速度变化做了校正;对流速在管道中的非平均分布作了补偿,以保证流量测量的精度。基于以上硬件和软件设计,该装置可用于管径为30mm~1600mm、流量为1.27m3/h~150m3/h范围内的水流量测量,也可拓展用于其他环境的单相液体的流量测量。该装置具有CAN总线接口,可构成分布式控制系统中的现场级流量仪表。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
1 绪论  9-19
  1.1 应用背景及研究意义  9-11
    1.1.1 课题的应用背景  9
    1.1.2 课题的研究意义  9-11
  1.2 超声波流量计的发展历程和国内外现状  11-12
  1.3 超声波流量计的分类  12-13
  1.4 时差法测量原理  13-15
  1.5 安装方式分类  15-17
  1.6 U 法安装方式  17-18
  1.7 本章小结  18-19
2 系统方案论述  19-26
  2.1 整体方案介绍  19-21
  2.2 测量精度的要求  21-25
    2.2.1 误差分配理论介绍  21-23
    2.2.2 目标精度对设计提出的要求  23-25
  2.3 本章小结  25-26
3 超声波信号的发射和接收  26-44
  3.1 高压电源设计  26-30
    3.1.1 推挽式升压电路设计  27-28
    3.1.2 变压器的设计  28-30
  3.2 脉冲发射的实现  30-33
    3.2.1 脉宽调制理论  30-31
    3.2.2 发射电路设计  31-33
  3.3 带通滤波电路  33-35
  3.4 自动增益调整的实现  35-39
  3.5 阈值比较的实现  39-40
  3.6 接收信号的数据采集  40-42
  3.7 本章小结  42-44
4 相关法时差补偿算法  44-50
  4.1 阈值比较法的局限性  44-45
  4.2 相关法的原理  45-46
  4.3 相关运算的实现  46-49
    4.3.1 时域相关计算  46-47
    4.3.2 频域相关计算  47-48
    4.3.3 用FFT 计算IFFT  48-49
  4.4 流量的计算  49
  4.5 本章小结  49-50
5 系统的外围接口设计  50-59
  5.1 测量通道的轮巡  50-51
    5.1.1 发射方向控制  50-51
    5.1.2 通道选择  51
    5.1.3 继电器驱动电路  51
  5.2 CAN 总线通信  51-55
    5.2.1 CAN 总线收发数据的实现  52-54
    5.2.2 CAN 总线上位机分析工具  54-55
  5.3 真空荧光显示  55-57
  5.4 本章小结  57-59
6 参数校正和抗干扰措施  59-70
  6.1 声速的校正  59-60
  6.2 流速的分布补偿  60-64
    6.2.1 流速分布探讨  60-61
    6.2.2 流速补偿方法探讨  61-64
    6.2.3 流速补偿的实现  64
  6.3 硬件抗干扰措施  64-69
    6.3.1 器件布局采取的抗干扰措施  64-66
    6.3.2 布线采取的抗干扰措施  66-67
    6.3.3 去耦电容配置  67-68
    6.3.4 PCB 高级技术的实施  68-69
  6.4 本章小结  69-70
7 整机效果分析  70-74
  7.1 流量测量主流程  70-72
  7.2 实验设备和实验方法  72-74
    7.2.1 实验设备  72-73
    7.2.2 实验方法  73-74
结论  74-75
参考文献  75-79
附录A 部分软件代码  79-94
在学研究成果  94-95
致谢  95

基于超声波的流量测量技术的研究

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