基于时差法的双声道超声波液体流量计研究

摘要

随着科学技术与半导体的不断发展、生活水平不断提高，加之日益复杂的使用环境，现场应用对流量测量提出了更苛刻的要求，高精度、高稳定性的测量仪表显得越来越重要。近年来，由于半导体技术的飞速发展，使超声波流量计性能日益提高；超声波流量计以其高精度、智能化、安装方便等优点，在液体流量测量中的到了广泛的应用，尤其是在中国北方市场，其超声波流量计的使用程度已经渐渐超越了电磁流量计。
　　本文详细阐述了超声波流量计国内外研究现状与特点、超声波流量计原理、超声波硬件设计以及均匀液体在圆直管道中的流场分布规律，提出了基于Cortex-M3内核芯片与时间测量芯片的双声道超声波液体流量计的设计方法。该方法以测量超声波在液体中上游飞行时间与下游飞行时间为主要手段，通过数学计算方法得到液体流量；硬件电路使用低功耗、高性价比微处理器STM32L152RDT6为主控芯片，负责超声波信号发生、回波检测、算法处理、液晶显示、数据通信等功能；选用集成时间测量芯片TDC-GP22为时间测量核心，实现了皮秒级高精度时间测量。
　　本文从超声波流量计实际应用出发，依据超声波时差法测量原理，针对超声波生产、测量环节中的各种因素进行详细分析，并提出了误差补偿方法。针对超声波流量计中的关键技术：超声波脉冲驱动、接收信号自动调整、误差补偿与流量响应做了比较深入的研究；同时，基于超声波流量计复杂的应用现场，提出了基于STM32L152RDT6定时器与双迟滞硬件比较器的检波电路，通过双迟滞比较器电路，大大提高了超声波回波信号调整速度与精度；提出了基于SN74LVC08与TC4427的双声道超声波测量方法，大大提高了测量精度；提出了一种变相位驱动超声波换能器的超声波发送方法，使超声波的检测与回波调整更加稳定、可靠。
　　越来越多的现场使用证明，本文所研制的双声道超声波液体流量计可以适应不同的测量工况，提高了测量精度，得到了广泛客户认可。

目录

声明

1 绪论

1.1 超声波流量计发展概述

1.2 超声波流量计应用价值

1.3 超声波流量计原理

1.4 本文的研究意义及内容

2 超声波流量计硬件设计

2.1 流量计硬件总体设计

2.2 Cortex-M3系列微处理器STM32L152

2.3 流量计电源设计

2.4 换能器驱动设计

2.5 接收电路设计

2.6 检波电路设计

2.7 RS485串口通信设计

2.8 4-20mA输出设计

2.9 液晶与按键电路设计

2.10 本章小结

3 流量误差分析与补偿

3.1 误差产生原因

3.2 误差补偿

3.3 本章小结

4 波形驱动与接收信号优化设计

4.1 接收信号异常影响分析

4.2 接收信号动态调整技术优化

4.3 驱动波形优化

4.4 本章小结

5 超声波流量计软件设计

5.1 嵌入式实时操作系统FreeRTOS

5.2 流量计软件系统组成

5.3 数据滤波方法优化

5.4 双声道流量计算

5.5 液晶显示与其他

5.6 本章小结

6 样机实验与改进

6.1 样机数据测试

6.2 本章小结

结论

参考文献

致谢