基于相移调制技术的时差法超声波流量计的设计与实现

摘要

超声波流量计测量时对管道压力的损耗可以忽略不计，可测量不同管径的流量，对测量介质没有要求，可以进行危险介质流量的测量，安装和维护很方便，具有很高的市场占有率。20世纪60年代，中国的超声波流量仪表产业才开始起步，在超声波流量测量领域的技术水平相比较德国、美国等国家还有一定差距。因此，设计一款基于创新技术的超声波流量计符合中国流量测量技术的发展要求。
　　为了解决小管径的小流量测量问题，提出了用相移调制检测技术对超声波信号进行处理的设计方案。以时差法为基本测量原理，通过研究相移键控调制标识对应波的模型与方法，设计了一款基于相移调制技术的时差法超声波流量仪表。该测量系统中相位检测技术用来实现接收信号的处理，接收信号到达时间不确定引起的测量误差问题得到了解决。为了延长声程，管道设计采用U型法，测量管段内部设置了两块合金挡板作为反射装置。
　　首先介绍了超声波流量测量仪表的研究背景以及国内外的发展概况，深入学习了时差法超声波仪表的测量原理，详细阐述了设计方案的测量原理。通过分析时差法测量算法，改进了算法，消除了水温对于测量精度的影响。通过分析管道内的流场，给出了流速修正系数。
　　其次根据本论文提出的设计方案，通过电路仿真、硬件电路模块制作测试、模块电路组装，完成了测量仪表硬件系统的设计。计时芯片选用TDC-GP22，微控制器采用MSP430F449芯片，相移检测芯片采用高速CMOS锁相环74HC7046芯片。设计了阈值检测模块、收发时序控制模块、超声波换能器匹配模块、滤波放大模块、模数转换模块、相位检测模块。仪表采用电池供电，供电电压为3.6V。在IAR Embedded Workbench开发环境下，实现了系统软件程序的开发。
　　最后，完成了样机的制作，选定了几个特征流量点对制作的超声波测量系统进行了标定。根据实验结果显示，设计的超声波流量计，达到了国家检定规程规定的二级精度要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 超声波流量计发展概述

1．2．1 国外研究发展概述

1．2．2 国内发展概述

1．3 超声波流量计的分类与安装

1．3．1 超声波流量计的分类

1．3．2 超声波流量计的安装

1．4 论文主要工作

第2章 超声波流量计的设计原理

2．1 超声波的传播特性

2．2 超声波换能器的性能指标及选型

2．2．1 性能指标

2．2．2 换能器的选型

2．3 时差法超声波流量计测量原理及算法研究

2．3．1 流量计测量原理及管道设计

2．3．2 流速修正系数

2．3．3 幅度检测时间测量法分析

2．3．4 相移检测时间测量的实现方案

2．4 本章小结

第3章 超声波流量计硬件电路设计

3．1 系统整体设计框架

3．2 主控芯片及其最小系统

3．2．1 MSP430芯片

3．2．2 MSP430F449最小系统电路

3．3 系统主要功能模块电路设计

3．3．1 超高精度计时模块研究与设计

3．3．2 阈值检测模块

3．3．3 收发时序控制模块

3．3．4 超声波换能器匹配电路

3．3．5 滤波放大模块

3．3．6 模／数转换电路

3．3．7 相位检测模块

3．4 本章小结

第4章 超声波流量系统的软件设计

4．1 开发环境

4．2 软件系统设计方案

4．3 主程序设计方案

4．3．1 系统初始化

4．3．2 计算模块

4．3．3 存储模块

4．4 中断程序设计方案

4．4．1 电源电压检测中断

4．4．2 流量测量中断

4．4．3 按键显示中断

4．5 本章小结

第5章 样机制作与试验

5．1 样机制作

5．2 试验

5．2．1 信号检测

5．2．2 静水测量试验

5．2．3 流量测量试验

5．3 误差分析

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表学术论文和参加科研情况