DN80型工业超声波燃气表的研制

摘要

超声波流量测量技术是近几十年发展起来的一种新型的流量测量技术，它利用超声波在流体中传播时所载的流体流速信息来测量流体流量，具有非接触、精度高、测量范围宽和维护方便等优点，特别适用于临时管道、大口径管道和危险性流体的流量测量。近年来，随着大规模集成电路与数字信号处理技术的发展，新型探头材料与工艺的研究，声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，成为一种重要的流量测量方法。本文详细介绍了超声波流量测量技术的基本原理，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，设计出了基于传播时间差法的系统方案，实现了系统硬件和系统软件的功能，并对仪表做了现场的测试。考虑到气体流量测量存在的难点，本文着重讨论和解决了以下方面的问题。 提高系统的稳定性和可靠性的问题。一是采用了延迟窗口接收技术，以减小干扰脉冲对测量结果的影响；二是根据接收信号脉冲宽度的特点，采用脉冲宽度检测电路来识别接收信号；三是用复杂可编程逻辑器件XilinxXC2C128CPLD对系统大部分的数字电路进行了集成化设计，达到了既简化电路设计，又提高了系统可靠性的目的。 提高系统的精度和测量范围的问题。一是设计出了匹配良好的发射和选频接收放大电路，提高了收发电路的工作效率和接收信号的信噪比；二是使用程控放大来提高放大电路的动态范围，并结合特殊的管道反射聚焦的方式，以适应不同气体流速的需要；三是采用双门限比较法、高速数据采集和相应的数字信号处理技术来减小噪声干扰和因接收信号幅度不同而引起相位误差；四是对流速修正系数进行了分析和研究。 低功耗的问题。本文从硬件和软件两个方面入手，硬件方面通过采用低功耗的器件和电路、较低的工作电压和合适的时钟频率等措施，软件方面通过采用动态的电源管理、可变的瞬时流速采样周期和低功耗的操作模式等措施，有效地降低了系统的功耗。 现场测试表明，仪表功耗低，系统运行稳定，在较宽的测量范围内具有较好的测量精度。

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文摘

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1绪论

1.1流量计发展历史和概述

1.2超声波流量计概述

1.3论文背景与研究内容

2超声波流量计检测原理与测量精度分析

2.1超声波流量计检测原理

2.1.1相关法

2.1.2多普勒法

2.1.3波速偏移法

2.1.4传播速度差法

2.2影响超声波测量精度的因素分析

2.2.1管段几何尺寸误差

2.2.2流场因素

2.2.3信号因素

2.3超声波流量计的计量不确定度分析

3系统方案与硬件实现

3.1系统方案

3.2硬件电路

3.2.1超声波激励电路

3.2.2超声波接收放大电路

3.2.3切换电路

3.2.4高速数据采集电路

3.2.5 CPLD电路

3.2.6单片机电路

3.2.7 RS-485电路

3.2.8数据存储电路

3.2.9电源电路

3.3 PCB板设计

3.3.1元件的选择和电路设计

3.3.2 PCB布局

3.3.3 PCB布线

3.4低功耗的实现

3.4.1低功耗的硬件设计

3.4.2低功耗的软件设计

3.4.3系统的功耗测试

4 CPLD的编程与仿真

4.1 CPLD特点与开发流程

4.2 VHDL与ISE集成环境

4.3功能模块的设计与仿真

5系统软件的设计

5.1软件功能设计

5.2主要模块流程

5.2.1主程序流程

5.2.2定时器中断服务

5.2.3 ADC中断服务

5.2.4实时时钟

5.2.5系统错误处理

6现场测试与分析

6.1标定试验研究

6.2串口通讯界面

6.3测试结果与分析

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢