（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga和mcu模式的新型超声波明渠流量计设计.pdf

采南大学硕士学位论文 摘要 纂，f p g a 和h c u 摸式的新型怒声波明渠滚鬣计设计 研究生姓名：陈人新 措嚣瀣师姓名：周套鹅教授 胡学弱磷炎员 东南大学 潍畿溺鼙在l ：篷生产、农器承誊l 、繇境爨护、鬻茨事韭、交遵遴赣等谤多鬏城审占有壤其耋簧 的地静，对| 保证产铺质鼙、提高生产效率、促进科学技术的发展都其有至荚重簧的作朋。明渠流 鼙测鹫魁流鲑检测的个重要分支，j 泛应用于城市供水引水渠、污水治理流入和排放渠一i ：矿斑 业废水排放以及农业潦溉等场合。这魑场合的被测液体大都具有较强的腐蚀性和较多的杂质，而越 声波骥鬃滚鼙诗采耀尊搂齄法进孬测鬃，霾毳在这些场会褥到大鼙盛耀。在强蘸熬搬场上，遂墨越 声渡弱装流鼙计价格爨爨，丽国产超声波明渠流量计爨然价格祗藏，健一般技术浓平较低，在产赫 功能、测龄精度和可靠性等方面和进朋产品还有差距。 为了设计山一种功能完善、精度和性价比较高的超声波明渠流嫩计产品，本论文课题将f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y s ，现场可编捌门阵列) 技术g l 入超声波明渠漉蕈计设计，提出了一 耱全耨| 霉纂，f p g a 黎 m c u 模式的浚诗方塞。系统戳索j = = | 戆8 镑增强l ! 锾控裁器( m c u ) j , j 孩心， 充分发掰f p g a 运行遵艘快、内部资源丰富的优势，将其用于超声波信号处理，能够显著提高计时 精度，井实现一些抗干扰逻辑设计；系统不仅实现丁流孱测量的基本功能，也设计了显示、键盘、 串行通信、电流环输如籼继电器输出铸完备的功能，能够满足绝大多数麻用场合的需要；在设计中。 我劐也蒺联了系统往# 幕| 爨譬l 二或本数关系，套效建控秘署l l 降低了整套搜表躲藏本。飘露戮满完成了 论文课糕豹设计任务。 本学位论文各章。坩内窬安排如r ：苘先是前言，介纠本课题的工砸目背景、课题的目的和意义； 第一章流姑测苗概述。第二章介纠系统的总体方案设计。第三章为系统硬件设计，详细介纠土仪器 和交送嚣系统埂r l ：的设计思路羊l l 设计方褰，第四章为系统软趟：设计。分鲻了交送器鞭主仪器系统较 荇熊总体设计。第赢牵为系统静开发岛调试，篱要地介缨了本系统联漾蠲熬开发、调试王具。 关键词：趣声明渠流嫩计现场可编鞋阵刭 东南入学碗i 饽：位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g no fan e wt y p eo fu l t r o s o n i cf l u m ef l o w m e t e r b a s e do nt h em o d 嚣o ff p g aa n dm c u b yc h e nd a - x i n s u p e r v i s e db y p r o f iz h o ux i n g - p e n g a n d r e s e a r c h e rh ux u e t o n g s o u t h e a s tu n l v e r s i t y t h ew o r ko ff l o wm e a s u r e m e n ti sv e r yi m p o r t a n ti ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，n a t i o n a ld e f e n s e ，t r 椭c a n ds oo n i tg u a r a n t e e st h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n ， i n c r e a s e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dd e v e l o p ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fo u rn a t i o n ，t 糙 f l o wm e a s u r e m e n to f f l u m ei sa ne m b r a n c h m e n to ff l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i ti sw i d e l y u s e di nw a t e rs u p p l ys y s t e mi nc i t yp l a n n i n g ，i n f l u e n ta n de f f l u e n tc h a n n e l si ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n t s ，s e w a g eo u t l e ti nf a c t o r ya n da g r i c u l t u r ei r r i g a t i o n i nt h e s ef i e l d s ，t h el i q u i d i so f t e nc a u s t i ca n dh a sm u c hi m p u r i t y a su l t r a s o n i cf l u m ef l o w r n e t e r su s en o n c o n t a c t d e t e c t i o np r i n c i p l e ，t h e yh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h e s ef i e l d s p r e s e n t l yt h e r ea r em a n yk i n d s o ff l u m ef l o w m e t e r s s o m eo ft h e ma r em a d ei nc h i n aa n do t h e r sa r ei m p o r t e df o r mf o r e i g n c o u n t r i e ss u c ha sg e r m a n y , a m e r i c a n ，c a n a d aa n dj a p a n ，e t c f l u m et l o w m e t e r sw h i c ha r e i m p o r t e da r eu s u a l l yv e r ye x p e n s i v e , b u tf l u m ef l o w m e t e r sm a d ei nc h i n aa r eu s u a l l yn o ts o g o o di n 凡n c t i o n 、p r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i 壤 f o c u s e do nt h e s ep r o b l e m s ，t h ei t e mu s e df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ) t o d e s i g nt h ef l u m ef l o w m e t e r a n da s c h e m ew h i c hc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i t y o ft h ep r o d u c t i o na n dr e d u c et h ev o l u m eo ft h ea p p e a r a n c ei sp r e s e n t t h es y s t e mi sb a s e do n n o r m a le n h a n c e d8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r s ( m c u 、a n df p g a a n dt h ef p g a sp r e d o m i n a n c eo f 啦殳hs p e e da n da b u n d a n tr e s o u r c ew a sf u l l ye x e r t e d i tw a su s e dt od e a lw i t l lt h ec o n t r o lo f t h e t r a n s i t i o na n dr e c e p t i o no fu l t r a s o n i cs i g n a l 1 1 1 ep r e c i s i o no ft h ed e t e c t i o ni si m p r o v e d a i s o m u c ha n t i - j a m m i n gl o g i ch a sb e e nd e s i g n e d 弧es y s t e mc a r ln o to n l ym e a s n r et h ef l u xo f f l u m e s ，b u ta l s oo f f e r st h ef u n c t i o no fd i s p l a y ，k e y b o a r d ，a n a l o go u t p u t ，c o m m u n i c a t i o n ，e t c s ot h es y s t e mc a nf i tf o rm o s tf i e l d s d u r i n gt h ed e s i g np e r i o d ，t h ed e s i g n e rg i v ea t t e n t i o nt o b o t ht h ec a p a b i l i t ya n dt h ec o s t t h ec o s to ft h ew h o l es y s t e mi sr e d u c e de f f e c t i v e l y t h e d e s i g nt a s ki sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l y ， t h ep a p e rw i l li n c l u d es i xs e c t i o n s ： i n t r o d u c t i o no f t h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go f t h ei t e r n ； t h eb a s i ci n f o r m a t i o no f f l o wm e a s u r e m e n to f f l u m e ； t h ei n t e g r a t e dp r o j e c to ft h es y s t e m ； d e s i g no f t h eh a r d w a r eo f t h es y s t e m ： d e s i g no ft h es o f t w a r eo ft h es y s t e m ； n t r o d u c t i o no f d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n gt o o l s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c f l u m ef l o w r n e t e rf p g a l l 扩 7 9 1 1 8 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所节交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究： 作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得乐南火学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 谭嘶期：趔秘硼 东南大学学位论文使用授权声明 尔南人学、中国科学技术信息研究所、国家图 s 馆有权保留本人所送交学位论文的复印什和电 子文档，可以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容平纸质论文的内容相 致。除在保密_ ! f 内的保密论文外，允许论文被奇阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。沦文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：姆师签名 日期 芝聋三丛z 月 东南大学硕士学位论文 刖菁 在利学技术日新月异、1 毛速发展的今天，流量测量广泛应用于工业生产过程、农田水利、环境 保护i ：群、国防建设、能源测量、交通运输科学研究等诸多领域。流量测量的精度、可靠性等指标 性能对于提高相关虑j = i j 系统的测控精度、可靠性，提高生产效率、促进科学技术的发展都具有极为 重要的作j 。特别是在能源危机、：业生产自动化程度愈来愈离的当今时代，流餐测鼙在国比经济 中的地位与作h 更加明显。 目前种类繁多的流鼙测量仪表一般可分为如f1 0 人类：差压式流量计、浮子式流村计、容积式 流茸计、叫( 涡) 轮式流量计电磁流量计、流体振荡式流量计、超声流量计、热式流量计、科里奥 利质鼙流鼙计、明渠流量计。它们各自应用台数在流量仪表整体中所占比例，不同国家因产业结构 以及使用习惯和传统而不尽相同，且随着年代而变。今后所占比例，传统流量测量仪表如差压式、 浮子式、容积式将持续显现下降趋势，而新颖仪表如电磁式、涡街式、超声式和科里奥利质量式流 域测量仪表所 比重将逐年增加。 我国开展近代流鼙测量技术方面的：l ：作较晚，甲期所需流量仪表均从国外进口。直到2 0 世纪 3 0 年代才山现光华机械厂( 上海光华仪表厂前身) 所制造的家用水表，2 0 世纪5 0 年代初有了新成 仪表厂( 上海仪表厂前身) 所开发的文匠里管差压流量计。目前我国从事流量仪表研究和生产的单 位超过2 3 0 家，向中国仪器仪表行业协会流量仪表专业协会登记注册的单位也有5 0 余家，至此才初 步形成较为完整的流龄仪器仪表工业体系。 明渠流量测龄是流量检测的一个重要分支，r 泛应用于城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和 排水渠、污水瀹理流入利排放渠、1 ：矿企业废水排放以及水利：1 ：程秉i 农业潦溉等场台。目前常川的 明渠流量测量一般采川鼙水槽或鼙水堰，如巴歇尔槽测量法。采州这些方法，都需要首先测量山堰 槽i j 的液面高度，然厉根据相芙公式计算山流量。而这些场台的被测液体一般都具有较强的腐蚀性 羽i 较多的杂质，如果采川传统的接触式液位测量方法如浮子法、电容法，必然会造成直接接触部分 的腐蚀损坏。相比之卜，超声波明渠流量计采用非接触法测量液位，不存在上述的问题，因此在明 渠测鼙中得到广泛的应用。 目前的国内市场上，可供选择的超声波明渠流量计很多，其中既有进口的，也有国产的。进口 的如德国s i e m e n s 公司的o c m1 1 1 型、美国d e l t a - p h a s e 公司的u c f 3 0 0 0 型、加拿火a q u am e t r i x 公司的3 2 0 0 u ，国产的如无锡精信公司的l m z 系列、大连铭锐公司的u f t 一1 0 0 系列、，i t 京衡安 特公司的x a 9 9 型。进口超声波明渠流量计技术水平一般较高，精度高，功能齐全，但价格昂贵， 根据我们的调卉，至少都在2 0 0 0 0 元以上。国产超声波明渠流量计价格一般较为低廉，但人多数技 术水平较低，在产品功能、测鼙精度和可靠性等方面和进口产品还有不小差距。 根据我们的了解，这些国产明渠流量计，其核心的超声波收发控制部分一般都是采用微处理器 如8 0 5 1 系列单片机定时控制超声波的发射，并利用微处理器的中断接收回波的检测，然后经微处理 器的数据处理获得需要的数据。这种方法由于受到微处理器计时速度的制约，很容易导致液位测簧 存在较人的不确定度误著，难以满足高精度检测的需要。 本课题提山的e j 的，即是针对上述的国产明渠流鼙计存在的一些缺点和不足，设计出一款精度 和性价比较高的超声波明渠流域计。在进行课题方案初步论证过程中，我们引入了f p g a ( 现场可 编科r j 阵列) 技术，将其用于核心的超声波收发控制和回波检测。利用其较高的运行速度和丰富的 片内资源，提高超声波收发控制精度以及对超声波收发间隔时刻的测量精度，并实现一些抗干扰逻 辑设计，从而提高系统的测量精度和抗干扰能力。采用f p g a 也有利于缩小仪表体积。 ；阿f p g a 引入超声波明渠流域计系统设计，也是将现代电子技术与传统检测技术结合的一个有 黼的尝试。 东南人学硕l 学娥论义 第一章流量测量基磷 1 1 流篷测量酶锷个基本壤念雌2 】 1 流螭 流馘即流经管道截面积的流体赣与该流体量通过诚截面积所花赞的时间之比。熟中，h j 流体流 过的体投与时阚之比采旋示漉董时，稼炎俸积流鼙，一般表示为q 。；摇果掰流体的葳麓与时间2 嗽 表示流域时，称为质截流罐，一般表示为q 。 体积流蟮乖i 质村流黼的表达式分别为： a v 。 g ，2 i 。以 旷等= 州 式中，譬；体援溅凝( m 3 s ) ； q 。质罐流馘( k g s ) v 流体体欷( m 3 ) ； ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) m 流体质艇( 堙) ： ，时问( s ) ： p 滚俸警浚( 堙f m 3 ) ： “管内平均流速( m s ) ； 一管道横戳两积( 磁2 ) 。 l 鬃溅动楚不隧辩瓣显慧交纯戆，我誊】嚣之为定嚣流，式( 1 - 1 ) 棼_ 式t - 2 ) 孛瓣时阉f 蜀叛 取任意单侮畦闻。如泵流动是非定常流，流量髓时间不断变纯，剥式( 卜1 ) 和式 1 - 2 ) 中的垃鹿 足够短，以至可以认为我该段时间内流动是稳定的。所以，流量的概念是瞬时的概念，流鼙是瞬时 流量的简称。 2 。慧鬣 无论楚体积渡鼙述麓厦鼙流量，震添约都是递遗i | 羹流截嚣的流体瀚体积或囊鼙醚时闽的变诧率， 体现的嫩一种时间特性。然而对于火多数应用场台，需要测量出一段时间内被测流体通过的体积域 质挝。尤蕻是在i ：业测嫩中，测鼍被测流体的流越是手段而不是目的，摄终是要根掇所测得的流馘 推算出流体通过的体积戏质蛙。 京一段瓣淘内藏避簿遴壤簸垂袋骥荣辏凝嚣豹瀛体慧鬟嚣为“嚣舔滚鼙”，毫卷祓嚣为“慧鬟”。 耗数值j 它笛丁流鼙对时间的积分，数学表达式可以袋示为： v = f 2 9 ，出 ( 1 3 ) _ i 掰= 1 q d t ( 1 一) _ l 2 笨嚣大掌矮圭学位论文 累积流鬣的单位与体积和质颦的单位怒一致的。 专测搬体积流量的称为体积流量计，如涡轮流量计、涡街流量计，电磁流量计等；专门测量 质量流鼙的称为质量流量计。如科里奥希0 腱量流量计、热武质量流量计锌。其中，有的适用于测量 赢精度流鬣，如涡轮渡量谤、电溅流量甘、科里奥秘质蹩流壁计等；有熬适用于测量蔫糖度总鬟， 躲容积式流辍诗、涡轮流鬃计、逛磁流蚕计簿。 1 2 明渠流量测量洲2 l 。2 。l 璃渠鹣定义 水路按蒸形态分类，可分为封闭管道和明渠两大类。通常，称满水承路为封闭管遵，而称菲满 水的水路叫做明渠( o p e nc h a n n e l ) ，明渠的举质特征是流体其有自由流动波面，从物理学的角度讲是 流体在无雁状态f 流动，即艇力能为零。即使对于我们平常所讲的暗渠( 非露天形式) ，出丁- 其中的 流体楚耋然滚动豹，莠具鸯蠡出表嚣，蹰照搬藩予秘渠。嚣摹孛农蹙靛分类魏圈1 1 所承。封 l l 管道 内流体流动嫩在承泵压力溅离位槽位能佧掰f 静强迫流动，丽明渠流刘燕艨康路本身城魔形成的自 由表面流动。 移移矽矽 满水管路 自由表面流的明渠自由表面j ! i c 的暗渠 ，渍譬 l l j 部分满管 1，敞口明溪( 习惯称作明攥) i 明渠( 城j # 满管) 凝道 l、整溪蘩 嘲1 1 各种水路 相应的，流鼙测颦仪表也讨分为封翔管道流量计和明槊流量计两类。大多数城市供水引水渠、 火电厂羚却承g | 承霹l 臻承粢、污瘩澹瑾滚入秘捧薮渠、王矿企韭凌承捺藏激及永羁二 程秘农韭灌溉 用渠道都是嗡渠，冈此明渠流照计在这些场合得到了广泛的应用。需要说明的是，我们的设计工作 只针对前面儿种r 业和公朋带业适用的流撤测量方法和仪液，不包括较大型的水利i ：穰萃| l 农业灌溉 j 4 j 的流餐测域方法。 由予明豢瀛餐较犬，溅髂往往会有一定数腐蚀牲或巍带杂臻，健翅一艘豹过程拄翻繁逆翊涟茧 计对明蘩送行流鼙溯鼙整套嘲滩麓，在实酥皮麓中，较多堍使蠲传统的流鼙堰和流鬣横装蓬测量明 渠的流域。蠛、槽测流量t 烂在流体流经的水路上，按照定的标准设鬣堰槽，通过螟槽的流体流 域与其液能存在的单值函数| 芙系，测量液俄从而计算流最。堰槽流量计幽堰槽和与之配赣的水位传 感器域水位流嫩显示仪表搦戏。 1 2 2 明渠流量计类型 i 。业和公州事业常h ：j 的明渠流量仪表的测量原理火体可分为堰法、槽法、流速一水位计算法和叱 缎流鼙计法。限丁篇幅，以f 仅介绍实际成用晟为广泛的爝式和槽式流擞计的原理与特点。 1 ，堰式浚鼙诗 堰式锲l 流法是甲己为a f | x ，所熟知的唠粱流量测量方法，实验资辩非常率富，也提出了各种实验 公式。其基本原理是在明聚中途或末端设鬣上部有规则缺阴的板，流体受阻后液位上升，当升到档 东南大学倾：b 学位论立 投二端耀( 鼓) 日娃孵，瘩滚埂菝箍鬟力歇壤的缺疆溅i 圭i ，当疆叠藏滋的滚釜等予梁道中的漉鼙时+ 水能穗稳定在某一高魔。此时的求侮和流量具有蹴的关系，测量遨一水经就可戳阉接褥到流餐。 壤贰流培计由堰芹相应的液能计纽成，薄肇堰的测螭原理如图2 2 所示，流龄q 按式( 1 - 5 ) 计 算。 0 = k h “i ) 式中k 一一一流馘系数： h 堰顺水头，即离堰口水位高度 n 取决丁- 堰缺口形状的指数。为5 2 溅3 2 。 按竣霜髟拔，嘉翻薄蘩堰霹分为三角壤、矩形壤蘩l 警塞堰。 嘲1 2 描绘了壤崴潮4 鼙的基本琢理，其中d 为爝缺口底端的糯对高度，h 为上流侧水位距壤口 的相对黼度。 i 、 h d 堰绰一刍 豳1 2 堰式流始测量原理 浆鼷缺霜妁形敬，壤可分为二舞澎堰、踅形矮、全竞堰鞋及梯彩堰等，努型1 3 疆承 西 函凹矧 图l 、3 各种标准戮式的堰 鳞水堰的形式旮许多种，薄颦耀逡州予小流量并有较高的藉魔，多用于实验塑、潦溉渠道秆嗽 升等处测定流带。河邋j _ ! j i 实际r 程中也常采州宽颀堰利实j = | j 剖面蠼米鲑测较人流嫩。三者原理基本 相同。 堰式滚鼙许具有结喜篱肇、趣l ：方便、绘格便寰磐虽可靠性裹敬特点，健在蜜黼孛癍璀镊少， 主婪臻鳓住】j ：( 1 ) 笨力损失较炎，麓凳宣掰于卒渠、嘲体杂质少域蠢沉授物的流体流鼙裣测，否剃 堰前易沉积杂物，要定期清理。( 2 ) 虽部分堰已标准化，但原理是非线性的。比例堰可实现线性化饭 术能标准化。缺乏设计的必要数据，而且国内尚无专业厂家批量制造。( 3 ) 小流量时，溢流水舌易附 着在堰构外侧，从而蟪成误差。( 4 ) 安装调整较为复杂。 2 。横式流鼙诗 对下堰式测量，幽丁堰的设置会使水头损失根大，并且上流侧的髑态物易于沉积。冈此，对下 平士旦地丽上的水渠以及j r 厂排水等犬墩场合的流量测燎，实际上常用槽式测餐的方法。槽式测黼 虽然起步较晚，但发展迅速，在美洲、欧洲、弧洲的多个国家得到j “泛应用。 携式渡鼙测鼙熟蒸本摄瑾是在承鼹上安装其鸯特定形状戆零黪，捷褥渠路中豹农浚在浚经拳麟 喉管都时产生疆流，从而 | 起流速的嶷纯。根据柏努利原理，节流懿的永位能转他为流速能，因褥 4 承南大学坝l j 学位论立 藏造熬氆人将导致裕浚处水靛熬f 臻。通过测鬃这令承链鼗撂，嚣么在已巍溯繁捂备部分足寸参数 的条f 便霹剃璀相关公式计算拯流餐。 横式流蛙计的常j _ | 测流横有多种形式。其申文丘剥槽是最蒸本形式。目前许多被广泛使用豹测 鼙水槽都娃文匠利褙为舔觳。如瞬1 4 掰示，文匠和永槽的总体结构可分为 | 殳缩段、喉道段( 郢：话 骧竣) 鞋敷扩数段五个缀成部分。文丘剃承横按照其嗽喾部= 誊滚形式憋不同可分为：侧壁节潍、戚 部隧超裕流、以及铡鼙与感熬隆起节滚糨结台三释嚣式。鋈1 4 表暴漪是恻壤每畿部蓬莛 滚糖精 合f i 勺文眩利水捎冉勺基本绌枸。 k。7 ，、 收缩段喉遵段扩散段 幽l 。4 文匠 u 槽的蒸本结秘 髓着文菇稻永糟在横斌流量潮萋鞭域中鹄接广成瓣，许多由窆越荆稽演变箍寨豹新型测掇永祷 瘛运燕生。其中最商名的是产生于美国的巴歇尔( p a r s h a l l ) 槽，到翻髓为止，巴歇尔槽仍是媛为黹 及的测鼙永槽。与文匠萃o 楠相似，它由收缩段、嚷遂羧和扩散羧缝戒。承流巍嚷道鼗加速，阊辩， 其上褥承位始赢，测鬣嗽遂段求位，群w 计算如流量。 巴竣尔耩羹裔檄多德纛：( 1 ) 承头损失小，蔫羹藏麓大2 搂逐流速影噙夺，瘩黪颓瓣度鞴 粗糙度对i i i c 精系数影嫡较小( 3 ) 水中涮卷物质几乎不愈沉积，随求溅排泄：流体的速度和f 游水恍 聪测鼙麟确度静影螭较小 ) 农位牾藏耽堰夺，莰为1 4 ，逡豫予誉是诲商犬落羞魏渠道。 巴歇积槽的缺点有：( 1 ) 饕流量扩犬造成测流水楷溢流时，需整新设计制作( 2 ) 形状整杂。 魏掊较爨，惩釜出予建羯溅鳖蕤鹱靛嚣熟，要求寒耩备帮努最寸穰确( 3 ) 安装空麓火，安装对瘩黎 高艘根熏瓣，太离了上游求穆上涨时谶成镒流，太低了下游水位会影响溯薰。 丑乏辨还钉透埘l ：蒯蟛蹬募的帕尔默。鳃鲁搬糖( p a l m e rb o w l u sf l u m e ，简髂p b 拱) ；以及其它舆 有特殊截蕊，如梯形戳颥、u ；鹏截面、抛物面簿形式的测鼙尔稽也不同释度地在一糖汤台褥列和蹴 攫。 鞋卜- 霞馥在安际晒台中衰翊袋广鹣融皴象耩为稍，夯绥横袋流蟹黼鬟装瀵结擒、褥点及流繁计 锋方法。 巴虢自；鼙永耩由上游牧缩段、短誊壤遴段和下游扩散段三部分鳐藏。收缩羧耱耩穗淹下游簇豁， 扩散段横戚的倾拳i 方向岛啦道槠底相度，其结构如图l 。5 所示。具体技术尺寸可参考文献1 。 东南人学坝k 学 芷论文 五 一一 一 露 一一，一 一g 一 _ 2 磷3 卜、 一i - - 。一 一_ - n lk fl i 套掌 l i 吣 础卿捌 ”1 豳1 5 巴歌尔稽镪构图 上圈为铡筏蛰，下鹜为俯视篷) 强1 6 巴鼗客攒 鼹 6 衷南大学磺士攀位论文 流馘q 莆 喉道上游液傍h o 阐豹燕系式为g = c 弼，系数e 和摇数n 刚因蔑掊黼异，可参考文献 1 。蚓1 6 为巴歇尔梢的外观示意蚓，剀中的液位测擞方式为浮子式。 1 3 超声波明渠流量计翻 1 3 1 艇声回波测距 振动焱弹性奔矮埯的砖援为渡动，篱称波。羰攀褒2 0 2 0 k h z 乏润能先a 珲掰阉的枫鹱波为声 波。离，2 0 k h z 熬槐槭液称为超声波，检铡超声是超声学静重要分嶷。超声检瓣学辩可分两天类： 一类是制川超声波在介质中的传播特性而发展起来的趣声传播检测法，另一类是利用超声作崩_ r 被 检物体的振动特性而发展起来的振动梭测法。 超声传播检测法分主动式和被动找，主动式超声传播检测法是怒声的发射、传播、接收及判别 的过稳。其中发射是攒产生一个蠲予梭溅嚣戆豹趣声僖号。黉播燕撵声信号与奔壤( 短摇缺陷) 籀 互作翻。接收是指超声波信号的接收、处理及显示。判别是指区分( 或检出) 介质特性或介质内部 的缺陷。被动式超卢传播检测法，义称之为声发射技术。固体材料或构件在外力城内力作用f 产生 形变或断裂时，以弹性波形式释放出臌变能的现象称为声发射。利月= i 这一原理的检测技术称声发射 检捌技零。 超声测距是利t | = l 趣声圈渡检测技术实现距离的稚接触测量，属予主动式超声倦播检测法。它蒜 有非接触、定向性好、不损伤被测物体，能穿透一些电磁波、光波无法穿透的物体端特点。因此拄 液能测娥、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等力丽有广泛的成用。超声测距常用脉冲同波法： 系统通避超声波传感嚣发射声脉冲，声波遇被测物体葳瓣回来。回波镶号由超声波铸感器器接收舞， 经敬炎嚣敖失，由阖镶逛黯瘫检溺圈波裂达露翔每羧射黥狰齄发辩粥簏薅羯差a t ( 一羧蒋渡越时 间) ，即得超声波传感器至被测物体的距离为： 式中t c o 超声波传播速度 d ：掣 阻6 ) 1 3 。2 怒声波渡位计 堰式、携式测鼙方法靛优点使冀在明渠流量测鼙领域获褥了较熬它渊量方法受为广泛翡藏用。 。d i fj 的测螭原理都是将流体的流鼙信崎转化为水位信母。对于型号、尺寸已经确定的明渠来说，紧 道内液体瞬时流鼙是其水位高度的单值函数，只需要测量出这一水位凝便可以间接获得被测流量的 值。闻此。堰式、横式、流速一水位式流量计均需配用相应的液( 水) 位计。明渠溅攘计常j 丰i 的液位 诗存滓乎式、电容式、臻力式秘趣声式。 浮予式液位计在稽( 或堰) 的水梅测量点经导水管通至铡豹静水并，液位计的浮予在静水井 内随着水位变化而升降，通过液位计内凸轮机构将液位- 流量的指数黼数关系转换成流量。 l 毡窬式液位计是测燃棒形电极外密绝缘套管，与液体为另一电极的电容量来检测液位的。电容 式液镶诗裔渡健 铡输文整拳 渡位毯数输出型蘸类，蒋者如爆于壤攮还嚣配愆摆寝瓣函数转换器傻 之线形纯，扁案的绝绦鑫管按照壤( 藏稽) 静液谴一流爨特性函数输嬲设计威特豫形状。 压力式液位计有压力式水深仪、欧气式液位计和小型压力传感器三种。压力式水深仪安装在耀 上游明浆底部，测龄水腻变化推导水惋变化。波纹管受压压缩，与其相连的差动变臁器铁芯一起产 生位移。缀蓑动变压器转换成电信号，经转换器运算恁输出流量信嚣。 啄气式滚蠖诗饕一掇欧气管插入壤撩等上游拳挽测鬣缱藿瓣柒肉，以臻犬予域天流鼙靖承头豹 空气乐力t 连续以恒定流挺6 0 1 0 0 l 4 h 送入空气，畎出气泡，空气腻力随水位而变，测得空气骶力 7 东南大学碗一i i 学位论义 即可浆耀水位。 超声液能计是搬通过测鼙超声波扶超声传惑器发射经气液界面反射回到换能器的时间，以求取 水能的液位计。超卢波通过气体传播的称之气介式液位计，超声波传感器置于空气中；在液体中传 孺麓称为液分式滚位计，趣声波祷感器黉予永串。气分式为菲接触液体测量，遁塌于材污浊物鞠腐 蚀性液体，懊液位存有泡沫等会影响液位测量值；液介式不适用于食有嗣相杂质的液体，但比气介 式受潺度交纯影嗡小，超声波渡长为气奔筑虢l 捧，分辨力和测鬣精度较篱。应掇据实际情况选糟台 适的测带原理。 1 3 3 超声波明渠流量计 疲崩浮子式、琏点褰式、燕力式笛原理测渡位滚璧都簧器与被溅滚傣囊接接触，嚣鼗在投测滚俸 具有腐蚀性绒杂质的情况”f ，不宣采用上述方法。由于工业现场中的很多被测液体都具有腐诎性且 食在杂质，必须考虑采娜非接触测鬟法。本文所套绍的气分式趣声法检测滚位测量法燕一种非卷有 效的1 f 接触式测量方法。 以超卢法检测明粱液位搀进而计算流壤的仪器仪表称为超声波明渠流量计。 流艟堰稽 蠲1 7 超声波明装流量计工作原理闰 黼 7 给出了怒声波溺渠流鬣计酶 ! 蒙理。弼筮掰示，安装在羲麓壤、稽上方的超声浚接感 器在微机系缆的控制r 向堰、槽内的流体发射并接收超声波，通过测量渡越时间来计算出传感器距 技测滚嚣熬疑寒h ；。在起声波靛谨援速度c 已蟠豹条件f ，毒麴下公式戏立： h ，= c t l 2( | - 7 ) 如果超声波传感器的安装高度为h ，则流体的液位高废h 。为 h 。= h h i 斑后，柱流鼙计微机系统的数据处理中根据流量计算公式求褥流量。 8 ( i - 8 ) 东南大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 系统基本功能及技术指标 本课题所趣野究开发的流鬃测量系统可应用于工矿企业废承l 教渠、污水治理流入和排放渠、城 爨供康| 东渠、火篷厂冷却承g | 瘩窝捧拳梁瓣流量测量。掰舞发懿漉量涮爨系统是痉翔骥凝流量涮 姑的原理，采阍褙式测蘩为裁本方法。在此藻础上，本文将纛点讨论基于f p g a 和m c u 模式的新 嬲超卢波明渠流鲑计的设计方法。 通过对实簖情况的调查和分析，参照国家标准( h c r j0 1 0 一1 9 9 6 ) ，也夯着简单实用的原则，所 勰定豹超声波妫巢滚鼙计的蓉零功藐翮按拳臻壕螽f ： 1 、主要萌能： ( 1 ) 参数及数据显示功能：参数显示单冗的作用是根据要求完成对系统各项参数的嶷时显示， 奠中最重要的魁对由测量雨i 计算得到的流量数据的显示。由于被测流体的流量数据包括瞬时流量和 檠积瀛鼙嚣部分，因此显示尊戴赢能够分别澍这嚣顼参数遴行显示。 ( 2 ) 参数及数据存髓韵溉：仪器在话舞褥翻流耋鼗摄志磊，除了及鞋遣显示窭来，遥痰能够安 全、准确地存储，以备目后谢询、统计之用。考虑到现场情况的复杂性，数据存储还麻鼎省掉电保 护功能，在火去电源的情况r 廊能够保存足够的时间。 ( 3 ) 键盘控制功能：键盘控制单元是由系列数字键和功能键所组成的，主要完成系镜的参数 竣定、功憝控铡、鞋及获态锈抉等任务+ 它岛嚣承单元联系程一超，共羁实壤了智毵 更裳戆a 撬交 甄功能。 ( 4 ) 通讯接口功能：微机系统的通讯接翻电路是根据所采用的通信标准而设计的。该单元作为 微机系统与上能计算机之间的通信接口，能够自动实现信号电平的转换，即将数字电路中使用的信 号电乎( 如h 乙邂平) 转傀为转台通信标准掰飙定豹信号电平，班完成巍邋信售道中的数据传输。 2 、主要技术参数： ( ”液能洲龄误著 2 m m ( 2 ) 测燃数据范同： 瞬辩渡链：o 9 9 9 9 9 9m 3 s 立方米鹿 ) 滚耱溅鼙鼙箨：0 5 1 ，6m 拳) 日累积流鼙：n 9 9 9 9 9 9m ( 立方米) 月累积流鼙：o 9 9 9 9 9 9 9 9m 。( 立方米) ( 3 ) 显示分辨率： 瓣辩渡鼙：0 。0 1 l s ( 舞缮! ) 累积流鼙( 包奢月蒜瑕漉量帮蜀累积辩l 量) ：o 0 i m 5 泣方米) 值得说明的是，系统流鬣测量误差的来源主要是测距误差和巴歇尔稽的尺寸误差，而柱巴歇尔 糟按规定严格制作和保证尺寸精度的前提下，只需要保证液位测量的精度谯规定范围内，即可达到 滚鹫测鼙的精浚嚣求。由予巴敲乐槽裁作起寐报麻烦，也不是属于仪器仪裘竣计豹工作范嗣，出予 这些露瓣，我释l 在确定系统籀稼对，没有对系统流量据稼俸簧求。 2 。2 系统总体结麴初步设诗1 引 仪表意包描以卜- ，l 个基本的单元模块： 1 ) 中央控制单元：中央控制单元是微机系统的核心，可由单片机( 如m c s - 5 1 系列) 殿其外部 扩展芯片( r o m 、r a m ) 所组成，负责对微帆系统各组成部玲进行协调承i 控制以及完成全部的数据 9 拳露大学嫒圭学垃论文 处理莉i 计尊l ：作。主控单元在进行流量测爨工作的同时还负责与上位计簿机之间的数据通信。 2 ) 显示单元：可选崩l c d 和l e d 等鼹示器件，来完成对系统各项数据、参数的安时显示，其 中撮重要的魁对由测量利计算得到的流量数据的显示。皮能够显示液面商度、瞬时流镦、累积流量 嚣信息，可翘时显示，也蜀滋过蕤鑫的控潮进行切换。 3 ) 存镰荦元：存健备辩凝静瞬鞋搴滚豢戳及累积流鬣僖患。耍傈证足够游读写次数，井傈螽e 在系 统掉电情况f 仍能保持所存信息不丢失。系统关机后，廊保证所存数据能够保持至少0 个月以上。 4 ) 键赧：键盘控制单褥是系统人机接口的重要组成单元，主要完成系统的参数设定、参数及数 据赍洵、功能控制以及状态切换等任务。霞与显示单元联系在一起，熬潮实现了智能仪表的入瓠交 换臻鹱。 5 ) 通讯接口：微机系统的通讯接口电路根据所采用盼通信标准而定。该单元作为仪嫩系统与上 伉计算机之间的通信接口，能够自动实现信号电平的转换，即将数字电路中使用的信号电平( 如t t l 电平) 转化为掰台通信标凇所规定的信号电平，以完成在通信信道中的数据传输。 2 3f p g a 技术在系统设计中的应用【5 】【6 】【7 】【8 1 1 9 1 在仪表系统整个设计王佟孛，超声波收发控铡及信号撼蠼部分是最为核心的单元，存在差一些关 键瞧麓淘遂： 1 超声波驱动信号产生 超声波倦感器存在一个中心频率，遮个中心频率随赭探头生产的工藏、材料、结构而定，超声 波驱动电路在驱动传感器发射超声波时，所采用的驱动频簿须等于这个中心频率，才能岛传感器之 阀达到最好稳聚台，疆动效豢最努。露黠，在辩圆渡蘩墨滋行签理稆对渡越过闽逶行诗箨辩，超声 波一个周期的精确时闻是一个重要参数。豳诧，必须对驱动采用鲍频率进行严格的控制。 除此之外，在控制超声波信号的接收时还需产生搬控制用的辅助信号，如使能、消零等。 这些信号持续时间的艮短、出现早晚都有严格要求，与驱勘信号之间必须在时序上达到根好的配合， 否划辫打乱系缓 ：俸豹流糕，使系统酝予瘫痪。 这一系州信号的发生，穰需要有严赣豹蠡重霹控翻。遮个：t 佟楚撵赢系统经轻豹黄癸镬务。 2 超声波同波信号的接收处理 超声波传感器在收到劂波后，振子将机械能( 振动) 转换成电能( 微电压) ，产生一个微弱的电 信号。这个信号蟠值很小( 大约在l o 5 0 m v 左右) ，需簧进行滤波、救大，荠准确判断髑波到达对 阉。为魏，磐绣严穆控裁愆弱波至l 速露淘瓣测量。嚣筵黠强渡售号戆辨蓼l 纛综台整理魂蹩系统设计 的关键任务。 3 高精度计时的实现 显而易见，提高超声波明渠流量计的精度关键在于准确地测量液位，而要准确地洲燃液 ： ) = ，必 籁糕确地渊攮渡越霹闽。 在计时遮个问题上，稳，l 种常胡选择，第一是采嗣举靖机中断蕊定融计数器处理。这个方法实 现起来很简麟，缺点是精皮有限，按照常用的1 2 m h z 晶搬来计算，随着谶入中断之前执行任务的不 同，定时器的计时值存在着多达3 u s 以上的不确定误差；第二可以采用定时器的对外部垭脉冲自动 计时柏动能，将特测信号接入外部中断g 脚，自动实现僚号宽度豹测量，不过该方案的计时精度按 赘罐1 2 m h z 鑫攘诗箨也只戆返翻l u s ，两藏诗露薛精度受潮予葶片糗鹃逡行速度，霹提高空闻穰小； 第二是采t t l 分立元件( 如8 2 5 3 1 8 2 5 4 ) 来实现计数器电路，这样计时的精度会有所提高，可达 到01 u s ，不火为一种可以考虑的方法。萁缺点是计时频率可提高空间不大，如8 2 5 4 最高计时频率 不超过i o m h z 。而且芯片体积较大，占罔电路板面积增加。在存在高耩魔、高可靠性、小型化等诸 多要求戆多数赢翅臻台，激上方案都不是嚣黎理想。 根据我们的试验结果，趣声波收发电路崔进行回波艇璎之后的放大波形，也就是特计时的信号， 臼身存在约1 u s 的不确定谈蔗( 抖动) ，如果计时器自身的计时误差也煅u s 级的，那么综台起米， 1 0 象鬻大学硬“l ：学位论_ 叠： 误著义将增人，冈此最好能够找到一种方法，实现远远低于l u s 的计时误差。在寻求解决方案的过 程孛，我嚣l 怒列了f p g a 技术：裂翔其掇麓静运豁速覆( 1 0 0 m h z 噬主) ，l 够这到只卡纳移乃至蔻 纳秒的计时精度，逊远优下前述儿种办法；同时，利用冀丰富的内部资源又可以将前述的各种逻辑 功能集中鑫一块芯片| - i l 部蜜现，体积也缀小，搪 之下楚一季孛较疑理想黥壤决方案。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是可编程逻辑器件的一种。可编群逻辑器件是火规模集 成电路技术冀疑的产物，楚一种半定铡的集成电路，结会计算枧软 技术可以快速、方便地拯建数 字系统。以f 简要介绍可编挥逻辑器件及f p g a 的发展、结构和功能特点。 2 。毒霹编程逻辫器件1 0 l 随着v l s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 与计算机技术的快速发展，设计与制造集成电 潞熬经务己不完全盘半导体厂裔采穗立承整，系统设诗天虽更嚣意蠡己设计专用集残奄蹈，焉整希 望设计周期尽可能的短，墩好是在一般实验室中就可以设计出台适的a s l c 芯片，井j | i 立即投入剑 实器癍瑚中塞。为满足这样夔嚣袋，谗多半导搀厂商纷纷撵如了各犟孛可编程逻辑器糕：( p l d s ， p r o g r m n m a b l el o g i cd e v i c e s ) 。 磁编群逻辑器棚“经历了从p r o m ( p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ) 、p l a ( p r o g r a m m a b l el o g i c a r r a y ) 、p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 、可重复编程的g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，到采用大规模集 成电路技术的e p l d 直至c p l d 和f p g a 的发展历程。谯结构、j e 艺、集成度、功能、速度拳l 灵活 性方面都有根火嗣敬迸和掇高。 2 5 霹编程逻辑器件的分类f l o l 可编稃逻辑器件的种类很多，儿乎每个大的研编程避辑器件供应商都能提供具有自身结构特点 麴p l d 器纷。壹1 ：蕊史匏聪因，霹编程逻辑器 牛煞京皂嚣l 分类方法各异，较露照豹是按鬃残度采分。 这样不同的p l d 器件就可分为两犬类：一旋是芯片集成度较低的，如甲- 蝴出现的p r o m 、p l a 、p a l 、 g a l ，可蹦的逻辑门数大约在5 0 0 露门戡f ，般称淹简单p l d 。另一樊跫芯片集戍发较裹的，掘 现在人鼙使；j 的c p l d 、f p g a 器件，称为复杂p l d 。 这种分类方法比较粗檄，在具体分类b 重，一般以g a l 2 2 v 1 0 作为对比，集成度大予g a l 2 2 v 1 0 的称为复杂p l d ，艇之 i =