开题报告 - 超声波流量计.doc

毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目: 超声波水流量计 院 系 名 称: 电气与信息工程学院 专 业 班 级: 测控技术与仪器11-1班 学 生 姓 名: 导 师 姓 名: 开 题 时 间: 20 年 月 日 指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日一、课题研究目的和意义一、课题研究目的和意义由于目前国内还有大部分的液体流量计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。本设计通过对超声波在水中的传播特性、超声波传感器工作机理分析设计一种基于超声波测量原理测量流量的仪器。2、 文献综述随着国家节能降耗工作的不断深人开展,各个企业对液体流量计量也越来越重视,在过程控制中使用不同原理和类型的流量计进行测量,其中超声波流量计随着其技术的不断发展成熟、测量精度的不断提高等优点越来越多的被企业所青睐1。超声波流量计是在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息,因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量,它属于非接触式仪表，即通过把测量传感器夹装在测量管路外表面上进行测量,适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量,解决了实际应用中大管径、大流量测量困难等问题3。流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决6。按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点7。1差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。差压式流量计已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类8。检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。差压式流量计流体体积流量公式为：v=aA2/j(p-q)v-体积j-液体密度a-流量系数，与流道尺寸取压方式和流速公布有关A-孔板开孔面积p-q-压力差缺点:(1)测量精度普遍偏低;(2)范围度窄,一般仅3:14:1;(3)现场安装条件要求高;(4)压损大(指孔板、喷嘴等)9。2浮子流量计浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。80年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15%20%。中国产量1990年估计在1214万台,其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。缺点：(1)是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;3容积式流量计容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。缺点:(1)结果复杂,体积庞大;(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;(3)不适用于高、低温场合;(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体;(5)产生噪声及振动10。4涡轮流量计涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。缺点:(1)不能长期保持校准特性;(2)流体物性对流量特性有较大影响。5电磁流量计电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。70、80年代电磁流量在技术上有重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。缺点:(1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品;(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;(3)不能用于较高温度。6涡街流量计涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。涡街流量计按频率检出方式可分为:应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。缺点:(1)不适用于低雷诺数测量;(2)需较长直管段;(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比);(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验11。7超声波流量计超声波流量计属于非接触式的测量类型仪器，超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，就可以换算成流量。超声波的特性使得超声波流量计几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，由于其非接触的特性使其可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波流量计更适用于测量不易接触和观察的流体以及大管径管口的流量。它与水位计联动可以进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。它的适应能力也是其它仪表不可比拟的13。实践证明这些流量计的测量范围、精度都较低，一般用于精度要求不高、流速较低且流量较小的场合，远远达不到诸多供水系统的要求，而利用超声波测量原理来测量流量能达到较高的精度17。三、基本内容和预期达到的目标设计的基本内容：系统的硬件实现与电路分析：单片机系统、存储器电路、显示电路、时钟电路、电源电路等电路组成。系统的软件设计：主要包括主程序及各部分子程序流程图的设计及程序源代码的编写；系统的误差分析等。预期达到的目标：适用于管道和明渠流量测量,测量流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.320m,流速：0.112m/s四、整体方案设计的方案如图1系统框图所示，超声波流量计系统包括流量计主机、流量变送器和计算机，采用超声波发射与接收传感器，将数据通过信号处理电路转化模拟信号，在通过转换电路将模拟信号转化为数字信号，并通过选用单片机作微处理单元，进行信号的采集、计算处理、判断等工作并传输到显示电路、以及电源电路。图1 系统框图五、技术路线或研究方法本题目的技术路线实现图如图2所示。1、确定超声波水流量计的设计方案、指标，进行硬件、软件整体优化；2、根据设计方案进行硬件设计，进行电路参数的计算，选择元器件，绘制电路原理图；3、硬件（如前置电路、单片机最小系统等）的焊接、硬件调试；4、根据软件方案进行软件流程图设计，软件源代码的编写、调试；5、软硬件联合调试。图2 技术路线图 六、进度安排1、第12周：查阅资料并准备开题报告；2、第37周：系统硬件设计，制作与调试；3、第810周：软件编程及调试；4、第1113周：系统的综合调试与试用；5、第1415周：完成毕业设计说明书的撰写，并做好答辩的有关准备工作；6、第16周：开始答辩。参考文献1 周会映.相关超声波流量计中相关器的硬件实现D.电子科技大学,2008.2 赵景波，王臣业.Protel99SE电路设计基础与工程范例M. 北京：清华大学出版社，2008.3 吴卫玲，宋喜报.基于超声波原理的流量计的设计及软件实现J.实用测试技术，2009. .4 楼然苗，单片机课程设计指导. 北京航空航天大学出版社M，2007年.5 刘海成，曲贵波.单片机及应用原理教程M.北京：中国电力出版社，2012.7.6 李晓娜.基于超声波的流量测量技术的研究D.内蒙古，内蒙古科技大学，2010.5. 7 马彪.超声波流量计的特点及误差分析J.科技资讯,2014.06.308 穆军.超声波流量计的应用优势及应用关注探讨J.自控技术应用用,2013.10.209 王莉，曹译恒，任胜杰，牛群峰.基于Cortx-M3的低功耗多声道超声液体流量计设计J.2014-11-0610 王可.基于FPGA的超声波流量计D.齐鲁工业大学,2013.05.2211 胡长江.基于FPGA的超声波液体流量计的设计D.哈尔滨理工大学,2013.312 殷人昆.数据结构:C语言描述M.清华大学出版社,201213 孙望，王鲁海，王兆杰，于大勇，朱雨建，扬基明.基于PIV测量的超声波流量计内流场特性研究J.2014.1214 李玉娟，马华.C语言程序设计实验指导M.人民邮电出版社,201215 门宏.LED实用电路解读.化学工业出版社M.201216 Samuel.P.Harbison.C语言参考手册M.人民邮电出版社,200717 梅海舟.基于TDC-GP21型超声波流量计的开发与研究D.2012.1118 冯先成.单片机原理与应用M.电子工业出版社.201319 杨打生，宋伟.单片机C51技术应用M.北京理工出版社.201120 B. D. Kolpak, O. P. Kruk, M. F. Natalyuk et