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学 校 代 码 10190 研究生学号 论文分类号 密 级 无 长春工业大学硕士学位论文长春工业大学硕士学位论文 模板 学位论文题目 专 业 研 究 生 姓 名 指导教师姓名 指导教师职称 年 月 长春工业大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息 来测量流体流量的新的测量技术 超声波流量计以其非接触 易于安装维护 不会改 变流体的流动状态 不产生附加阻力等优点在工业 民用等多领域获得了广泛的应用 超声波流量计作为一种新型仪表 在市场上已经有产品问世 但由于存在一些技术问 题 仍没有得到普遍的应用 近几年 传感器技术 先进测量技术 微电子技术的快 速发展 为我们进一步研究超声波流量计提供了条件 同时也推动了该仪表的产业化 进程 从 2004 年开始 课题组成员依托吉林省科学技术厅项目 无线温度传感超声 波新型热表研制 开展了无线温度传感超声波新型热表的研制工作 其中超声波流 量计的研制是课题研究的重要内容 本论文就是在这种背景下开展的 目前 基于 CPLD 和 MSP430 的无线温度传感超声波新型热表已经研发成功 通 过了吉林省电子信息产品监督检验研究所的测试 各项性能指标均达到了合同的要求 并于 2008 年 3 月通过了吉林省科技厅科技成果鉴定 本课题的主要目的是设计并制作超声波流量计 并对相关技术进行研究 主要研 究工作包括 首先简要介绍了流量计和超声波流量计的研究意义 发展历史及其研究 现状 其次对超声波流速测量方法进行了理论分析 并在此基础上详细介绍了设计中 采用的时差法流速测量机理 在第三章中介绍了超声波流量计测量装置的硬件设计 并重点介绍了测量装置的硬件电路以及超声波流量计的工作流程 第四章中分析了超 声波流量计设计过程中的关键技术 例如 静水测量水速不为零因素分析 流量计的 定标 低功耗设计 回波工作点等 同时给出了这些关键技术的具体解决方法 低功 耗设计是超声波流量计设计中一个关键环节 通过采用软 硬件微功耗设计 最终仪 表动态工作电流达到了 12 静态工作电流达到 2 3 电池寿命 10 年以上 满 A A 足了系统对备用电池的要求 第五章是超声波流量计的实验研究部分 给出了超声波 流量计的测试数据 分析了超声波流量计测量误差产生的原因 并提出了提高测量精 度的三种方法 最后进行了全文总结 该超声波流量计具有始动流量小 压损小 功耗低 工作可靠 功能齐全等优点 具有较好的市场应用前景 关键词 关键词 超声波流量计 时差法 CPLD MSP430 单片机 长春工业大学硕士学位论文 II Abstract Ultrasonic flow measuring technique which is a new measuring technique can measure the velocity of flow according to the theory that ultrasonic can carry the information of the liquid when it transits the flowing liquid Ultrasonic flow meter has many advantages such as non contacting simple fixing and maintaining not changing the liquid flow state no additional resistance etc So ultrasonic flow meter it is widely used in industry and civilian measurement Ultrasonic flow meter is a novel instrument and the products have appeared on the market However there are some technical matters of the products So ultrasonic flow meter hasn t been applied widely In recent years sensors technique measuring technique and microelectronic technology are developing rapidly It provides the condition for further studies on ultrasonic flow meter at the same time it speeds up industrialization From 2004 all the members of the project group support the project of the Office of Science and Technology of Jilin province which called the development of wireless temperature sensor ultrasonic new type heat meters Fabrication of ultrasonic flow meter is the important research content of the project This paper is started in this context At present the wireless temperature sensor ultrasonic new type heat meters based on CPLD and MSP430 is developed successfully It has been passed the measure and test of research institute of quality supervision and inspection of electronic information in Jilin province Every performance index has reached the requirement of the contract It has been identified by Science and Technology Bureau of Jilin Province The purpose of this project is to design and make an ultrasonic flow meter and study the correlation technique The main development works are First the significance the development history and the significance of flow meter and Ultrasonic flow meter are briefly introduced second theoretical analysis of fluid velocity measuring methods is carried on time difference method used in the design is introduced in detail The hardware design of the measurement equipment of ultrasonic flow meter is introduced in the third chapter at the same time the hardware circuit of flow measuring device and the flow of work of ultrasonic flow meter ware introduced on detail The key techniques of ultrasonic flow meter designing which involve the calibration method of flow low power design echo operating point and so on are analyzed in the forth chapter simultaneously the solution is introduced Low power consumption is the key part during the ultrasonic flow meter designing The dynamic working current of the equipment drops to 12 the quiescent working current can reach A 长春工业大学硕士学位论文 III 2 3uA and the battery life reached more than 10 years The fifth chapter is the part of experimental study of ultrasonic flow meter the test dates are given the reasons causing measurement error are analyzed the methods to increase measuring accuracy are put forward at last the sixth chapter is the sum up about the paper The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow small pressure loss low consume operation reliable fully functional and so on It has good potential application of market Key Words Ultrasonic flow meter Time difference method CPLD MSP430 长春工业大学硕士学位论文 IV 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACTABSTRACT II 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 本课题的来源及研究意义 1 1 2 流量计概述 2 1 3 超声波流量计 4 1 4 本文的主要研究内容 7 1 5 本章小结 8 第二章第二章 超声波流量计流速测量机理研究超声波流量计流速测量机理研究 9 2 1 流量的基本概念 9 2 2 超声波测速方法分类 9 2 3 超声波流量计时差法研究 13 2 4 方案对比分析 16 2 5 本章小结 17 第三章第三章 超声波流量计测量装置硬件设计超声波流量计测量装置硬件设计 18 3 1 CPLD 器件的介绍 18 3 2 开发环境 QUARTUS II 及开发语言 23 3 3 超声波传感器研究 26 3 4 超声波流速测量装置硬件电路 32 3 5 流速测量装置的接口电路及工作过程 37 3 6 本章小结 40 第四章第四章 超声波流量计关键技术分析超声波流量计关键技术分析 41 4 1 静水测量水速不为零因素分析与解决方案 41 4 2 流量的定标 42 4 3 流量计低功耗设计 42 4 4 回波工作点测取与信号接收窗口设置 44 4 5 水流方向与换能器安装的关系 45 4 6 流速分布修正系数 46 4 7 本章小结 47 第五章第五章 超声波流量计的实验研究超声波流量计的实验研究 48 长春工业大学硕士学位论文 V 5 1 超声波流量计测试 48 5 2 误差原因分析 49 5 3 提高测量精度的方法 53 5 4 本章小结 58 结结 论论 59 致致 谢谢 61 参考文献参考文献 62 附录附录 1 1 64 附录附录 2 2 65 攻读硕士学位期间研究成果攻读硕士学位期间研究成果 71 原创性声明 论文使用授权声明原创性声明 论文使用授权声明 72 长春工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 本课题的来源及研究意义本课题的来源及研究意义 1 1 1 本课题的来源本课题的来源 本课题 超声波流量测量的设计与实现是吉林省科学技术厅委托长春工业大学 承担吉林省科技发展计划中 无线温度传感超声波新型热表研制 项目中重要的研究 组成部分 1 1 2 课题的研究意义课题的研究意义 我国的水资源相当缺乏 人均占有量远远低于国际平均水平 而且分布也不平衡 整体来说 东南部分水资源较为丰富 而西北由于降水少 水资源极度缺乏 1 2 流量计概述流量计概述 1 2 1 流量计的发展历史流量计的发展历史 自古以来 流量测量是人类文明的一种标志 是计量科学技术的组成部分之一 它广泛存在于水利 化工 农业 石油 冶金以及人民生活各个领域之中 一直得到 世界各国政府和企业的重视 而且重视程度一直在不断加强 长春工业大学硕士学位论文 2 第二章第二章 超声波流量计流速测量机理研究超声波流量计流速测量机理研究 2 1 流量的基本概念流量的基本概念 单位时间内 流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量 流体流量可用单 位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示 前者称为体积流量 用表示 Q 单位为 后者称为质量流量 用表示 单位为 49 3 m sGkg s 体积流量的计算式为 Q 2 1 Qu A 式中 为与流速相垂直的通道横截面积 单位是 为沿通道横截面上的A u 2 m u 流体平均速度 单位是 m s 质量流量的计算式为 G 2 2 GQus 式中 为流体密度 单位是 3 kg m 2 2 超声波测速方法分类超声波测速方法分类 超声波测速方法按照其测量原理大体可以分为 传播时间差法 波束偏移法 多 普勒法 噪声法 漩涡法 相关法等几种主要方法 22 23 24 2 2 1 传播时间差法传播时间差法 超声波在流体中传播时 与声波在静止流体中传播的速度相比 顺流方向声波传 播速度会增大 逆流方向则会减小 同一传播距离就有不同的传播时间 利用传播时 间之差与被测流体流速之间的关系求得流速 称之传播时间差法 通过接收穿过流体 的超声波就可以检测出流体的流速 从而换算成流量 根据时差的表现形式不同可以 分为时差法 相位差法和频差法 1 频差法 频差法是由顺流发射的一组超声波发射器 和接收器 及另一组逆流的发 1 T 1 R 射器 和接收器 各自组成发射 接收的闭路循环系统 其发射 接收的循环频率 2 T 2 R 分别为 2 2 2 波速偏移法波速偏移法 超声波束在流体流动的影响下 其波束的方向会发生偏移 在超声波束与流动方 向垂直时 这一偏移更是明显 所以利用波束偏移法进行测量的超声波流量计均在垂 直流速方向上发射超声波 超声波束方向的偏移 是以接收换能器所接收的波束强度 长春工业大学硕士学位论文 3 的差值变化来反映的 如图 2 1 所示 1 2 u R1R2 T 图 2 1 波束偏移法原理 图中 1 为发射器 2 为放大器 如表 2 1 所示 其中 tpd 表示设计从输入到非寄存器输出的最小数据延迟 表 2 1 MAX7000 系列器件集成密度和工作速度 密度 宏单元 MAX7000S 5 0V MAX7000AE 3 3V MAX7000B 2 5V 最快 tpd ns 32 3 5 64 3 5 128 4 0 160 6 0 192 7 5 256 5 0 512 5 5 在MAX7000AE系列器件结构中主要包括LAB Logic Array Block 宏单元 Macro cells 扩展乘机项E PT Expander Product Terms 可编程连线阵列PIA Programmable Interconnect Array 和控制块 IO Control Block 长春工业大学硕士学位论文 4 结结 论论 超声波流量计以其独特的优点在工业测量方面获得了较为广泛的应用 但是由于 超声波流量计本身的特点 在对小口径和慢流速流量的测量方面 测量的精度不高 容易受测量环境的影响 稳定性和可靠性都较差 本文在深入研究传统超声波流量计 工作原理的基础上 对现阶段市场上超声波流量计进行分析 吸收利用了当代超声波 测量领域和电子行业的一些新技术 设计并实现了基于 CPLD 的时差法超声波流量计 长春工业大学硕士学位论文 5 致致 谢谢 值此论文即将完成之际 谨向所有关心 帮助我的老师 同学 朋友和亲人表达 诚挚的谢意 本论文是在导师韩顺杰副教授的精心指导和悉心帮助下完成的 在三年的时间里 韩顺杰老师在百忙之中给予了我学习上的悉心指导和生活上的莫大关怀 使我对导师 充满深深的感激之情和无比的敬重之意 韩顺杰导师对我学习的耐心指导和大力帮助 使我的学业不断的取得进步 她认真务实的科研精神 广博的知识 孜孜不倦的工作 态度对我的学习是一种激励和鞭策 在此 我向韩老师表示深深的谢意和诚挚的祝福 在本课题的研究工作中 我遇到了许多问题 尤文老师给予我耐心的指导和无私 的帮助 在此 我向尤文老师表示真诚的感谢 在课题的研究过程中 实验室的同学也给予我大量的帮助 在此我向他们表示感 谢 另外 在论文的撰写过程中得到了陈军 李征燕等硕士的帮助 在此向他们表 示深深的谢意 感谢4班全体研究生同学 三年来他们在学习 工作和生活中给了我很多的帮助 和支持 使我的研究生生活收获很多 在此衷心的感谢他们 最后 要衷心感谢我的父母及家人 感谢他们多年来对我深深的无私的爱和毫无 保留的鼓励与支持 衷心的祝福他们身体健康 永远快乐 长春工业大学硕士学位论文 6 参考文献参考文献 1 李广峰 刘防 高勇 时差法超声波流量计的研究 电测与仪表 37 9 P14 19 2000 2 蒋树义 单片机在超声波流量计中的应用研究 工业计量 增刊 P 204 205 2000 长春工业大学硕士学位论文 7 附录附录 1 XIN 1 XOUT 2 Vio 3 GND 4 Fire1 5 Fire2 6 Fire In 7 INTN 8 SSN 9 SCK 10 SI 11 SO 12 RSTN 13 Vcc 14 CLK32OUT 15 CLK32IN 16 SenseT 17 LoadT 18 PT 4 19 PT 3 20 GND 21 Vio 22 PT 2 23 PT 1 24 En Stop2 25 En Stop1 26 Stop2 27 GND 28 Vcc 29 Stop1 30 Start 31 En Start 32 TDCG P2 4 91M R8 220 R7 560k C13 15p C14 15p Y2 R9 100K R1010M C17 15p C16 15p OUT1 OUT2 R12 C15 220nf n c 1 A 2 GND 3 Y 4 VCC 5 U5 74HC1G14 VCC VCC1 VCC1 VCC1 VCC1 P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 P2 7 P3 5 P3 6 D24148 D34148 ST ART START STOP PT 1PT 2 TDC GP2 外围电路图 热表实物图 长春工业大学硕士学位论文 8 附录附录 2 测量传感器中心频率部分程序清单 include include void pwm char PWMCTL char PWMPOL char PWMCLK char PWMCAE char PWMPRCLK char PWMSCLA char PWMSCLB PWMCTL PWMCTL 8 位或 16 位选择 PWMP