智能型管段式液体超声波流量计的研究与设计

摘要

在工业流量检测领域，超声波流量计以其非接触性、高精度、低成本、安装便捷等优点，正发挥着重要作用。国内超声波流量计的研究起步较晚，与国外知名企业的研发水平相比，在精度、稳定性与可靠性等方面还存在较大差距。目前我国超声波流量计市场，仍然被国外产品所垄断。为了进一步提升国内超声波流量计的研发水平，提高国产品牌的市场竞争力，本课题以单片机和CPLD为核心，设计了一种基于时差法测量的液体超声波流量计。
　　本研究主要内容包括：⑴超声波流量计的硬件设计主要包括传感器和电路两方面。传感器设计采用管段式Z型结构，通过装有压电陶磁晶片的换能器，完成超声波的发射与接收工作。硬件电路采用模块化设计，包括超声波发射、回波接收及单片机外围电路等模块。系统由CPLD产生1MHz的脉冲信号，经功率放大后，驱动换能器发射超声波。采用 AGC电路，在回波接收时能够自适应管道口径、被测介质等复杂的现场环境，自动调整回波增益。在单片机的外围电路设计中，还包括OCT输出、485通信、显示输出等模块。⑵在CPLD内设计粗测量和精测量两种方式：通过对整时钟周期的计数进行粗测量；基于延迟线内插法，采用非门组合的方式搭建延迟链，完成对不满整时钟周期的精测量。此两种方法的结合，能够使时间分辨率达到 ps级。在软件处理上，采用复合滤波的方法对时间差数据进行降噪处理，不仅实现简单，而且具有很好的滤波效果。⑶应用中环天仪股份有限公司的水流量标准管理系统，对不同口径的超声波流量计在不同流量点下进行验证。实验结果表明，本样机的重复性较好，误差等级为1级，可以满足工业现场的实际需求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 本课题的研究内容及技术方案

第二章 时差法超声波流量计测量原理

2.1 超声波流量计概述

2.2 超声波流量计测量原理及技术修正

2.3 流量计一次仪表结构及安装要求

2.4 本章小结

第三章 超声波流量计的电路设计与关键技术研究

3.1硬件系统核心芯片选型

3.2 超声波发射及回波处理电路设计

3.3 单片机外围电路设计

3.4 本章小结

第四章 时间差测量技术的研究及系统软件设计

4.1 CPLD内时间测量技术的研究

4.2 数据处理及软件设计

4.3 本章小结

第五章 超声波流量计的标定实验及结果分析

5.1样机标定实验

5.2 实验结果与分析

5.3 本章小结

第六章 结论

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

附录A仪表主板PCB图

附录B仪表主板实物图

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢