基于幅值标记的超声流量检测方法研究

摘要

现代工业中的流量、压力和温度场被称为三大工业检测参数。流量计作为流体流量检测领域最重要的检测工具，在现代工业中应用越来越广泛。随着超声波技术在气体流量测量中的大范围应用，超声检测具有的非接触测量、计量准确和很好的稳定性得到了更多的关注，现在已经成为了天然气贸易计量中的第三大类标准计量仪表。
　　现在国际上大口径的气体超声波流量计市场基本被ABB等厂家占据，采用的方法主要是基于数字处理技术的外接电技术，国内的气体超声波流量计只能在中小口径应用中与传统涡轮、罗茨等流量计进行竞争。而市面上的中小口径气体流量计一般为电池供电，气体超声波流量计要取得与这类流量计竞争的优势必须弥补在低功耗设计上的不足，因此有必要替代外接电工作下以大运算量为基础的渡越时间测量技术。日本爱知的电池供电气体超声波流量计也说明了在气体计量领域中低功耗技术实施的可行性。本文在进行超声波渡越时间的测量过程中采用基于硬件的过零点检测方法，以减小信号后处理对于高精度AD的需要，且大大降低了对芯片运算能力的要求，为下一步的低功耗设计打下基础。
　　气体的超声波测量与液体测量基本原理相同，但是由于气体流动的不稳定性和易受干扰性等特点，如相位法等已经成熟的液体超声渡越时间测量技术不能直接应用到气体测量领域中。所以需要在解决这些干扰因素上做大量工作，并利用一些工程技巧，不追求大运算能力的同时，尽可能的提高气体超声测量的精度。
　　本课题作为新工程方法的尝试，主要工作是考察适用于气体超声波流量计的低运算量方案的可行性。设计以TI公司的TMS320F2812DSP芯片为核心，使用电压调幅的方法产生激励信号激励换能器工作，以提高接收信号特征点判定可靠性的系统，完成了基于幅值标记的超声流量研究，其中特征点判定是使用硬件进行过零点检测的方案。主要研究内容包括以下几部分:气体超声测量的工作原理介绍和分析;对影响最终测量精度主要因素进行概括分析，提出了适当可行的改进方式;主要计时电路的设计，包括超声激励电路、接收电路和气体相关电路，重点介绍了基于幅值标记的特征点判定方法;通过流量计样机计量结果分析判断方法的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 流量测量的特点

1．2 流体测量技术的发展历程

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 超声波流量计的发展现状

1．5 论文结构

第二章 超声波流量测量原理和影响因素分析

2．1 流量测量中的重要参数

2．2 超声波流量测量原理

2．2．1 超声波流量计的测量原理

2．2．2 时差法超声波流量计工作原理

2．3 影响超声波测量精度的主要因素

2．3．1 几何尺寸的影响

2．3．2 计时精度的影响

2．3．3 计时延时的影响

2．3．4 电路设计的影响

2．3．5 外部环境的影响

2．4 本章小节

第三章 一次仪表设计

3．1 超声波换能器和转换原理

3．2 超声波换能器选型

3．3 超声波换能器的匹配电路

3．4 本章小节

第四章 计时模块电路设计和信号处理

4．1 关键器件选型

4．2 硬件电路设计

4．2．1 超声波激励电路设计

4．2．2 超声波接收放大电路设计

4．2．3 简易滤波电路

4．2．4 外围电路设计

4．3 硬件设计中的抗干扰措施

4．4 特征点的硬件判断实现方法

4．5 信号处理的软件抗干扰措旋

4．6 本章小结

第五章 实验结果数据和分析

5．1 超声波流量计样机

5．2 流量检测实验结果

5．3 实验结果误差计算和分析

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

附录1 计时模块PCB图

附录2 流量计样机和简易试验台

攻读研究生期间发表的论文