基于 FPGA的时差法超声波气体流量计研究与实验验证

1、 分类号密级 注 1UDC 学 位 论 文基于 FPGA 的时差 法 超声 波 气体 流 量计 的 研究 与 实验 验 证 (题名和副题名) 肖海(作者姓名)指导教师姓名 王亚非教授 电 子 科技 大 学成都 (职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请学位级别 硕士 专业名称 物 理 电子 学论文提交日期2021.3论 文辩论日期 2021.5 学位授予单位和日期电 子 科 技大 学 辩论委员会主席评阅人 年月日注 1:注明?国际十进分类法UDC ?的类号独 创 性 声 明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作及 取 得

2、 的 研 究 成 果 。 据 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 电 子 科 技 大 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 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 了 明 确 的说明并表 示谢意。签名: 日期: 年月日关于论 文使用 授权的 说明 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 电 子 科 技 大 学

3、有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文的规定, 有权保存 并向国家 有关部门 或机 构送 交论文的 复印件和 磁 盘 ,允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 电 子 科 技 大 学 可 以 将 学 位 论 文 的 全部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 可 以 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描等复制手 段保存、 汇编学位 论文。 (保密的 学位论文 在解密后 应遵守此 规定)签名: 导师 签名:日期: 年月日摘要 摘 要 最近十几年以来, 随着高速数字信号的处理技术与微处理器技术的迅速开展,随 着 新 型 探 头 材 料 与 工

4、 艺 的 研 究 , 随 着 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 , 并 且 成 为 一 种 重 要 的 流 量 测 量 技 术 。 超 声 波 流 量测 量 技 术 也 开 始 被 应 用 于 天 然 气 流 量 检 测 , 于 是 产 生 了 一 种 新 兴 的 气 体 流 量 仪 表? 超 声 波 气 体 流 量 计 。 超声波 气 体 流 量 计 具 有 测 量 精 度 高 、 体 积 小 、 能 耗 低 、 无压力损失、寿命长以及安装使用方便等显著优点。 本 论 文 采 用 现 场 可 编 程 门

5、阵 列FPGA 设 计 了 一 种 时 差 法 超 声 波 气 体 流 量 计 。系统硬件电路为单片机+FPGA 结 构, 它摆脱了采用传统别离器件设计的不易更改性和不稳定性, 提高了系统的测量精度和稳定度, 同时 利用 FPGA 的 可编程特性,很 高 的 工 作 频 率 以 及 丰 富 的 内 部 资 源 设 计 了 包 括 高 速 计 数 器 在 内 的 数 字 信 号 处 理模块 , 结 合 其 它 一 些 措 施 , 达 到 了 对 气 体 流 量 进 行 高 精 度 测 量 的 目 的 。 主 要 工 作及创新有: 1 研究了各种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理, 对

6、超声波在流体中的传播特性及超 声波换能器进行了较深入的研究; 通过利用有限元方法和 ANSYS 软件开展有限元分析, 并且根据流体力学及物理学的有关知识, 对超声波流量计算公式进行了修正, 并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式; 2 对整个系统硬件电路进行了研究, 包括 FPGA 的硬件设计, 关键功能模块描述,完成了单片机的硬件电路的设计,调试; 3 本文给出了软件相应的设计图,关键局部的总体流程图; 4 进 行 了 实 验 研 究 , 并 且 对 影 响 流 体 流 量 测 量 的 各 种 因 素 进 行 了 仔 细 的 分析、研究。关键词:超声波流量计,时差法,现场可编程门阵列 (F

7、PGA ) ,微控 制器I Abstract Abstract In recent ten years, on the basis of development of high-speed digital signal processor and microprocessor, on the basis of research for new-style probe material and technology, on the basis of research for acoustic channel configuration and flow mechanic, the ultraso

8、nic flow measurement technology has obtained a great advancement, showing its strong technical advantage and becoming an important flow measurement technology. The ultrasonic flow measurement technology has been used in gas flow rate measurement. Gradually, a new kind of gas flow meter is produced,

9、which is ultrasonic gas flow meter. Due to the accuracy, small volume, low cost, no pressure lose, long life-span, easy to fix and operate, the ultrasonic gas flow meter show its excellent advantagesA travel time difference method ultrasonic flowmeter based on field programmable gate array FPGA is d

10、esigned in this thesis. The hardware structure of the system is microcontroller + FPGA. This hardware structure simplified design and developed the stability and reliability of the system. Making use of the programmable characteristic, the rich inner resources and very high work frequency of a FPGA

11、chip, a date signal processes module including a high speed counter is designed. Witch some other measures, high accuracy gas flow measurement has been achieved. Generally, there are four parts as the following: 1 Discussed the principles of some ultrasonic flowmeter, especially about the time-diffe

12、rence-type ultrasonic flowmeter; researched the transducer the propagation character of ultrasonic in fluid. Finite element analysis was proceeding with ANSYS. Then the ultrasonic flowmeter was corrected according to the theory of hydromechanics and physics, and calculation formulae of the flow revi

13、sion coefficient are given under different state2 Has conducted the research to the hardware electric circuit of the over all system, including the hardware design of the FPGA. Essential function has been focused on, has completed the monolithic integrated circuit hardware II Abstract electric circu

14、it design, the debugging3 This article has produced corresponding design drawing of the software, the over all flow chart key partial4 Test has been proceed, analyzed and studied various factors which influence flow measurement Key words: Field programmable gate array, Microcontroller, Ultrasonic fl

15、owmeter, Time-difference-typeIII 目录 目录 第一章 绪论 1 1.1 课题的研究背景及意义1 1.2 超声波流量计的开展和现状. 2 1.3 超声波流量计的分类 3 1.3.1 传播时差法 3 1.3.2 多普勒法. 4 1.3.3 相关法4 1.3.4 噪声法5 1.3.5 波束偏移法 5 1.3.6 卡门涡旋法 6 1.4 论文的主要研究内容 7 第二章 时差 法 超 声 波流 量 计 的 理论 研 究 8 2.1 时差法测量原理8 2.2 流量计算方程的优化 9 .1 利用有限元方法和 ANSYS 软件开展有限元分析. 9 2.2.2 流速分布修正系数.

16、 14 2.3 超声波换能器. 14 2.3.1 超声波换能器的结构和工作原理. 14 2.3.2 超声波换能器的选择 16 2.3.3 换能器的安装 17 第三章 系统 硬 件 电 路的 设 计 和 实现 19 3.1 系统硬件电路的总体设计19 3.1.1 超声波流量计的总体结构. 19 3.1.2 系统工作原理及流程 20 3.2 系统硬件电路的模块设计21 3.2.1 微控制器模块 21 3.2.2 超声波发射模块22 3.2.3 超声波接收及后续处理模块 24 3.2.4 发射/ 接收切换电路 30 IV 目录 3.2.5 实时时钟、看门狗及数据存储模块 30 3.2.6 液晶显示模

17、块 32 3.2.7 键盘模块33 3.2.8 电源模块33 3.3 印刷电路板的设计34 第四章 基于 FPGA 的 数 字 系 统设 计37 4.1 FPGA 和 CPLD 技术 37 4.1.1 FPGA 与 CPLD 的 差异及芯片选择37 4.1.2 FLEX10K 的内部结构及特点39 4.1.3 FLEX10K 系列器件的配置与下载 40 4.2 基于 EDA 软件的 FPGA 开发 设计 41 4.2.1 FPGA 的设计开发流程. 41 4.2.2 集成开发环境 Quartus 41 4.2.3 Verilog HDL 语言. 42 4.3 FPGA 内部模块设计 43 4.

18、3.1 高速计数器模块 43 4.3.2 时钟信号模块 46 4.3.3 逻辑控制模块. 47 4.4 FPGA 的接口电路设计47 第五章 系统 软 件 设 计 49 5.1 系统软件整体结构及功能49 5.2 主要功能模块的设计. 50 5.2.1 系统主程序模块50 5.2.2 中断效劳程序模块. 51 5.2.3 计算模块53 5.2.4 数据存储模块 54 5.2.5 显示模块 55 第六章 实验 研 究 及 误差 分 析 58 6.1 零流量下的相关实验. 58 6.1.1 换能器收发信号波形实验. 58 6.1.2 过零检测59 6.1.3 零流速检测. 59 6.2 实时流量实

19、验. 60 6.2.1 实验方法60 V 目录 6.2.2 超声波气体流量计实验结果及分析 61 6.3 误差分析 64 6.3.1 管道直径 D 的影响 65 6.3.2 固有延迟 的影响656.3.3 测量时差 ?t 的影响 65 6.3.4 参数t 的影响 66 06.3.5 流量修正系数 K 的影响. 66 6.4 关于系统设计的讨论. 69 6.4.1 关于提高超声波流量计测量精度的建议. 69 6.4.2 关于设计家庭适用超声波流量计系统的建议70 第七章 总结. 72 致谢 73 参考文献. 74 附录 77 在 学 期 间 的研 究 成 果83VI 第一章 绪论 第一章 绪论

20、1.1 课 题的 研究背景 及意义 流 量 是 天 然 气 生 产 及 输 送 过 程 中 的 重 要 参 数 之 一 , 只 有 对 天然气 进 行 精 确 计量 , 才能 对 天 然 气 的 供 给 与 交 付 进行 有效 的 管 理 , 最 大 限 度 地 降 低 不 明 原 因 的 天然 气 损 耗 , 避 免 流量 监 测 的 争 端 。 为 了 提 高 天 然 气 测 量 信 息 的 时 效 性 和 成 本 费 用的经济性, 实时地提供天然气测量数据变得越来越必要 。 它有助于优化输气管线,提 高 系 统 的 生 产 能 力 , 快 速 适 应 各 种 需 求 变 化 。 近 年

21、来 , 随 着 科 技 的 进 步 , 各 种新型的天然气计量技术得到了开展, 其中超声波气体流量计的开展最为显著 。 近年来, 超声波气体流量计开展应用的势头甚猛。 目前, 美国、 英国、 荷兰、德国、 加拿大、 俄罗斯等 10 余国家已经批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。在北美及加拿大新建设几条大型输气管道工程中, 如 AIIiance 管线、Vector 管和 北部 边 疆 等 管 道 工 程 中 超 声 流 量 计 作 为 贸 易 计 量 已 经 投 入 使 用 , 且 效 果 显 著 。 国内在 超 声 波 流 量 计 的 研 究 方 面 , 长 期 以 来 因 为 投 入 的

22、人 力 物 力 不 足 , 加 上 起 步 晚 、起 点 低 , 以 至 于 在 大 中 口 径 、 高 流 速 等 高 端 超 声 波 气 体 流 量 计 等 应 用 领 域 没 有 自主 知 识 产 权 的产品 , 只 能 完 全 依 靠 国 外 进 口 ; 而 在 小 型 ( 家 用 ) 天 然 气 流 量 计 领域,因技术 落后、测量 精度差 (1% ) ,加上 生产本钱偏 高,而未能 得到推广使 用以 代 替 现 在 大 量 使 用 的 传 统 气 表 。 最近 几 年 来 , 我 国 先 后 从 国 外 引 进 了 工 业 计 量用的大型高精度超声波流量计约 30 台, 其中西南油

23、田分公司占三分之一。 据 有关统计称我国目前所使用的超声流量计约占世界使用量的 5% 。 以我国四大世纪工程之一的西气东输为例,西气东输管道干线全长约 3900 km ;设计输量为 120×108 Nm3/a ; 设计压力为 10.0 MPa ; 管径为 1016 mm 。 西 气东 输管道工程流量检测与计量 有着 高 压 、 大 流 量 、 流 量 变 化 范 围 大 的 特 点 , 并 且 采 用 国 际 上 通 用 的 天 然 气 销售 模 式 。 因 此 , 该 工 程 流 量 计 的 选 型 和 精 确 度 对 今 后 的 经 济 效 益 有 着 直 接 影 响 。该工程一

24、期工程对检测控制仪表的投资将到达 100 亿 元,流量计量是整个工程中的 重 要 检 测 仪 表 , 经 过 论 证 , 已 将 超 声 波 气 体 流 量 计 作 为 流 量 计 量 的 首 选 仪 表 。为了适应我国西部天然气开发, 满足西气东输工程的要求, 我国于 2001 年编制了GB/T18604 ?用气体超声波流量计测量天然气流量 ? 的国家标准。 同时, 为了验证1 电子科技大学硕士学位论文 该 类 型 流 量 计 的 性 能 , 西 南 油 田 分 公 司 率 先 首 批 有 针 对 性 地 引 进 了 国 外 二 个 公 司的 超 声 流 量 计 产 品 , 并 在 四 川

25、成 都 华 阳 天 然 气 流 量 测 试 中 心 , 对 其 性 能 进 行 了 系统 测 试 , 为 今 后 超 声 波 流 量 计 在 我 国 气 体 流 量 测 量 领 域 的 推 广 使 用 提 供 了 宝 贵 经验。 总 的 看 来 , 随 着 经 济 的 发 展 , 社 会 效 率 的 提 高 和 能 源 的 紧 缺 , 以 及 西 气 东 输等 重 大 工 程 的 建 设 , 如 何 降 低 燃 气 系 统 总 体 运 行 成 本 、 提升 气 表 的 精 度 、 降 低 管道 系 统 的 压 力 损 失 等 就 变 得 越 来 重 要 了 , 发 展 具 有 自 主 知 识

26、产 权 的 高 性 能 的 超 声波 气 体 流 量 计 就 成 为 了 我 们 必 须 解 决 的 技 术 问 题 。 希望 通 过 本 课题 的 研 究 , 能 帮助我们 缩短 与 国 外 先 进 水 平 的 差 距 , 开 发 出 具 有 自 主 知 识 产 权 的 先 进 数 字 式 超 声波气体 流 量 计 , 并且 降 低 成 本 使之 便 于 广 泛 推 广 使 用 , 使 超 声 波 流 量 测 量 技 术 走进千家万户。 1.2 超 声波 流量计的 开展和现 状 在国外, 利用超声波测量液体和气体流量的研究己有数十年的历史。1931 年,德国的 O.Rutten 发表 了关于

27、利用声波测量管道流体流量的论文;50 年代初,美国1科研人员首次提出了 “鸣环 法 , 这种方法弥补了当时电子技术的缺乏, 使得时间测量精度得以大大提高。1955 年,应用该方法设计的超声波流量计被用于航空2燃料油流量的测量 , 标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段3。60 年代 又相继出现了连续波频移法超声波流量计 和多普勒法超声波流量计。 20 世纪的 70 年代以后, 前苏联科研人员深入研究了管道内流体的流速分布规律 , 为 超 声 波 流 量 计 进 一 步 提 高 测 量 精 度 打 下 了 坚 实 的 理 论 基 础 。 此 后 相 继 出 现了波束偏移法、相关法和

28、噪声法的超声波流量计。 在 20 世纪 80 年代数字超声技术逐渐取代了落后的模拟超声技术 。 20 世纪 90 年代以后电子技术的飞速开展使超声波流量计的应用范围获得扩展, 测量精度有明显提高, 形成了迅猛开展的势头。 而超声波气体流量计的应用开始于 20 世纪 90 年代。国外很多科研院所、研究机构和流量计厂家率先对超声波 气体流量计展开研究工作。 美国 AGA 于 1998年发布了 AGA9 号报 告 ?用多声道超声流量计测量天然气流量 ? ; 之后不久 ISO 于同年 12 月也发布了 ISO/TR-12765 ?用时间传播法超声流量计测量封闭管内的流体流量? 技术报告。 当今全世界

29、50 多家较大的超声波气体流量计生产商都集中于欧美日等国家,其中较著名的有美国的 Controlotron 和 Ploysonics ,英国 的 Daniel 公4司,德国的 Krohen ,荷兰的 Instrormet , 日本的横河等等 。2 第一章 绪论 我 国 超 声 波 流 量 计 研 究 工 作 虽 然 起 步 比 较 晚 , 但 是 由 于 广 大 科 技 工 作 者 的 努力和引进国外先进的技术, 国产的超声波流量计己经开始批量生产并投入使用了。目 前 , 国 内 超 声 波 流 量 计 生 产 厂 家 主 要 有 上 海 自 动 化 仪 表 有 限 公 司 、 大 连 索 尼

30、 卡电 子 有 限 公 司 、 唐 山 汇 中 仪 表 有 限 公 司 、 唐 山 大 方 电 子 技 术 有 限 公 司 、 北 京 衡 安特 测 控 技 术 有 限 公 司 等 。 许 多 大 专 院 校 也 在 积 极 开 展 超 声 波 流 量 计 的 应 用 研 究 ,但是从总体上说, 我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距, 在国内市场中,高 精 度 的 超 声 波 流 量 计 的 份 额 还 是 被 国 外 品 牌 所 占 据 , 形 成 了 低 档 产 品 过 剩 、 高5档产品依赖进口的局面 。我国于 94 年正式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草, 分别经国家技术监督

31、局和建设部批准的 “JJG198-94 速度式流量计 的国家计量检定规程 包括超声波流量计JJG建设0002-94 超声流量计 传播速度差法、6 7多普勒法 的部门计量检定规程 。这是我国超声波流量计开展的一个重要标志 。 综 上 所 述 , 超 声 波 气 体 流 量 计 在 气 体 流 量 计 量 领 域 中 体 现 出 越 来 越 重 要 的 地位, 代表 21 世纪气体计量领域的开展趋势, 而且随着我国天然气工业的 迅速开展,超声流量计在天然气工业领域中的应用前景看好 ,该技术非常具有研究价值。 1.3 超 声波 流量计的 分类 超 声 波 流 量 计 发 展 到 今 天 , 其 实

32、现 方 法 己 经 有 了 很 多 类 型 , 这 里 根 据 对 信 号检 测 的 原 理 , 分 别 简 单 介 绍 下 传 播 速 度 差 法 、 多 普 勒 法 、 相 关 法 、 噪 声 法 、 波 束偏移法及卡门涡旋法等不同类型的超声波流量计。 1.3.1 传 播 时差法 传 播 时 差 法 利 用 超 声 波 信 号 在 流 体 中 顺 流 传 播 时 间 和 逆 流 传 播 时 间 之 差 来 求取 流 速 , 进 而 求 得 流 量 。 按 测 量 具 体 参 数 不 同 , 分 为 时 差 法 、 相 位 差 法 和 频 率 差-8 -9法。 时差法由于时间差 ?t 的数量

33、级很小 约为 10 10 s , 所以一般用于大口径管8道及明渠等的流速或流量测量 , 但此法受温度影响较大, 需要进行温压补偿。 相位 差 法 是 将 时 间 差 转 换 为 超 声 波 传 播 的 相 位 差 来 进 行 流 速 或 流 量 测 量 , 避 免 了 测量 数 量 级 很 小 的 时 间 差 值 而 采 用 测 量 较 易 测 量 的 相 位 差 值 , 但 是 其 准 确 度 仍 然 受到 温 度 变 化 的 影 响 。 频 率 差 法 采 用 测 量 顺 流 和 逆 流 情 况 下 超 声 波 脉 冲 的 循 环 频 率差 来 反 映 流 量 大 小 , 精 度 高 、

34、受 温 度 影 响 较 小 , 但 是 受 其 稳 定 性 相 对 较 差 。 关 于时差法将在第二章中做详细介绍。 3 电子科技大学硕士学位论文 1.3.2 多 普 勒法多 普 勒 法 是 应 用 声 学 中 多 普 勒 原 理 , 流 体 的 速 度 是 根 据 反 射 声 波 与 发 射 声 波9之间的频率偏移来确定的,再而测出流体流量 。其工作 原理如图 1-1 所示。 管 壁 两 侧 分 别 装 有 发 射 和 接 收 两 个 超 声 波 换 能 器 , 发 射 器 向 含 有 固 体 颗 粒 的流 体 中 发 射 频 率 为 f 的 连 续 超 声 波 。 根 据 多 普 勒 效

35、应 , 接 收 器 收 到 的 经 固 体 颗 粒T反射后的超声波频率为 f ,当流体流速均为 V 时, f 与 f 有如下的关系: R T R2VV sinsin ff11? f1.1 R T? T?CC那么多普勒频移 ?f 为: 2V sin ?ffff 1.2 T R TC所以: CVf 1.3 2f sinT超声 发 射器发射束V相交 区散射区超声 接 收器图 1-1 多普 勒法工作原理图 这 一 技 术 己 经 在 医 疗 仪 器 上 得 到 了 重 要 应 用 , 多 普 勒 血 液 流 速 计 现 在 己 成 为10非 观 血 的 、 无 侵 袭 的 临 床 测 量 血 流 的

36、重 要 手 段 。 而 在 工 业 计 量 测 试 领 域 多 普 勒流 量 计 应 用 不 是 十 分 广 泛 , 仅 在 含 泥 沙 的 河 水 、 下 水 、 排 水 等 含 有 较 大 颗 粒 的 流体 流 量 的 测 量 中 使 用 。 但 是 , 多 普 勒 法 对 流 速 变 化 的 灵 敏 度 比 其 他 方 法 都 好 , 所以值得重视和研究。 1.3.3 相关法 当 流 体 在 管 道 内 流 动 时 , 其 内 部 的 各 种 随 机 扰 动 会 产 生 与 流 动 状 况 有 关 的 流动信号, 并具有一定的统计特性, 其工作原理如图 1-2 所示。 在管道上取相距为L

37、4 第一章 绪论 的截面 A 和 B , 两个 超声波接收器分别检测到流动信号x ?t和y ?t,对x?t、y ?t作互相关运算,获得互相关函数R , xyTRx t y t dt 1.4?xy0当L 在 一 定 范 围 时 , 流 动 信 号x ?t和 y ?t具 有 一 定 的 相 似 性 , 故 互 相 关 函数R 会有一个峰值,而理想状态下流体从 A 截面到 B 截面的时间就是该峰值对xy应的时间位移,因此流体的平均流速为: 0VL? 1.5 0相 关 法 的 测 量 的 特 点 在 于 寻 找 两 路 信 号 的 相 似 程 度 , 该 方 法 受 管 道 口 径 、 介11质种类和

38、流速大小的影响较小, 比拟而言, 相关法更适合小管道、 小流量的测量 。超 声发射 器 超声 发 射 器A BLV超声 接 收器 超声 接 收 器xt yt相关运 算图 1-2 相关 法工作原理图 1.3.4 噪声法 噪 声 法 是 利 用 流 体 在 管 内 流 动 时 产 生 的 超 声 波 的 强 度 与 流 速 存 在 一 定 关 系 的现 象 来测 量流 量 的。 这种 方 法又 被称 为 被 动 式测 量 但凡有 超 声波 发射 测 量方 法的称 为 主动 式测 量 。但是 噪 声法 测量 线 路简 单, 在 测量 精度 不 高时 可以 用 这种 方法10% 以内 。 1.3.5

39、波 束 偏移法 波 束 偏 移 法 是 根 据 测 量 由 于 流 体 流 动 而 引 起 的 垂 直 发 射 的 超 声 波 束 发 生 偏移,根据偏移量可以确定流体流速。它的工作原理如图 1-3 所示。 5 电子科技大学硕士学位论文 超声发 射 器V 超声接收器 超声接 收 器信号比拟图 1-3 波束 偏移法工作原理 在 管 道 一 侧 垂 直 安 装 一 个 超 声 波 换 能 器 , 在 另 一 侧 以 对 面 换 能 器 的 位 置 为 中心 垂 直 安 装 两 个 超 声 波 接 收 换 能 器 。 流 体 静 止 时 , 超 声 波 束 方 向 位 于 两 接 收 器 中间,因此

40、两接收器收到的信号强度相等,管内流体以流速 V 流动 时,垂直发射的超声波波束会发生偏移, 偏移角:tg?V C , 流速越大时偏移角越大, 而两接收器 收 到 的 信 号 强 度 差 值 也 越 大 , 因 此 可 以 根 据 信 号 强 度 差 值 来 确 定 流 体 的 流 速 。12波束偏移法适用于对高速流体流量测量,且精度要求不高时采用 。 1.3.6 卡 门 涡旋法 其 原 理 是 在 流 体 中 垂 直 地 插 入 一 根 三 角 形 不 锈 钢 针 , 流 体 经 过 钢 针 后 会 产 生涡旋,该涡旋对穿过流体的超声波信号的调制频率满足:f s V d 1.6 式中:s 是斯

41、特哈尔劳系数,V 是流体的流速,d 是涡旋体的直径。 于是:Vf d s 1.7 在 实 际 应 用 中 这 些 方 法 各 有 优 势 与 不 足 , 要 根 据 实 际 情 况 进 行 选 择 。 如 假设 要求有 5% 10% 的精度就够了,这时可以采用波束偏移法和 噪声法。目前传播时差法和 多 普 勒 法 应 用 比 较 普 遍 , 对 其 研 究 也 较 为 深 入 , 所 生 产 的 产 品 性 能 也 比 较 稳定 , 精 度 高 ; 相 关 法 由 于 其 独 有 的 特 点 , 对 其 的 研 究 也 比 较 活 跃 , 但 是 想 要 得 到广泛的应用还待于其技术上的进一步

42、成熟。6 第一章 绪论 1.4 论 文的 主要研究 内容 伴 随 着 超 声 测 量 技 术 的 发 展 , 超 声 波 流 量 计 在 气 体 流 量 测 量 领 域 扮 演 着 越 来越 重 要 的 角 色 。 尤 其 是 随 着 我 国 “ 西 气 东 输 工 程 的 建 设 , 超 声 波 流 量 计 的 应 用前 景 非 常 看 好 。 但 是 由 于 国 内 超 声 流 量 测 量 技 术 起 步 比 较 晚 , 现 有 产 品 与 国 外 知名 公 司 产 品 的 性 能 还 有 较 大 差 距 , 我 国 工 业 用 超 声 波 流 量 计 还 是 主 要 依 靠 进 口 ,因

43、 此 对 超 声 波 流 量 计 技 术 加 以 改 进 和 提 高 , 使 其 总 体 性 能 接 近 或 者 达 到 国 际 先 进水 平 , 以 便 在 国 内 推 广 和 使 用 , 是 本 课 题 的 研 究 目 的 之 所 在 。 本 论 文 选 用 传 播 时差 法 为 研 究 课 题 , 在 分 析 比 较 各 种 超 声 波 流 量 计 设 计 思 想 的 基 础 上 , 进 行 了 系 统设计。以下是本课题的一些主要工作: 1 超声波时差法测量原理的研究, 通过改良算法防止了温度对测量精度的影响; 2 利用有限元方法和 ANSYS 软件开 展有限元分析, 研究了直管中的流场

44、分布, 以及在弯管情况下的流场变化情况 , 为流量计算公式的修正以及超声换能器的安装提供理论指导 ; 3 硬件电路中设计了采样选通电路代替以往单纯的阀值比拟电路, 提高了超声波流量计系统的测量精度和稳定性; 4 本课题 研究 的硬件 电路 采用单 片机+FPGA 结 构的高 集成 度电路 设计 , 利用 FPGA 设 计 了 高 速计 数 器 以 适应 超 声 波 流量 计 的 高 精度 计 时 的 要 求 ,FPGA 引入 到达了既简化电路设计、又提高系统稳定性和可靠性的目的 ,同时这种设计也方便了系统功能的修改和升级 ; 5 利用现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。 7

45、电子科技大学硕士学位论文 第二章 时差法超声波流量计的理论研究 2.1 时 差法 测量原理 时差法 又可称为速度差法,根据超声波在流体中顺/ 逆 流传 播 的 速 度 差 可 测 得流体流速,进而可以得到流量,到达测试目的。具体 原理如下 :在流速为 V 的流体的管道上、下游分别放置超声波换能器 A 和 B ,结构如图 2-1 所示, BLD VA图 2-1 时差法 超声波流量计原理结构图超声波从换能器 A 发出到达接收 换能器 B 时间为: D sin T 2.1 ACVcos其中 C 为超声波在静止流体中的传播速度,V 为流体的速度, L 为两个换 能器间的直线距离,D 为 管道内径,为流

46、体流向与超声波传播方向的夹角, 由于本设 计 是 管 段 式 超 声 波 流 量 计 , 超 声 波 探 头 穿 过 管 壁 预 先 安 置 在 测 量 管 段 上 , 所 以我们不考虑超声波在管壁中的传播时间,仅为超声波在探头中的传播时间以及电路延时的总和。 同样,我们可以得到超声波 从换能器 B 发出到达接收换能器 A 时间: D sinT 2.2 BCVcos那么超声波在顺/ 逆流方向上传播的时间差为: 2 2 2T ?T ?T2VDcos/ sin ?C ?V cos ? 2.3 BA2 2 2由于V cos相对于C 来说可以忽略不计 ,那么8 第二章 时差 法超声波流量计的理论研究

47、2C tg VT 2.4 2D而 V 仅是 流体在超声波传播路径上的线平均速度,要得到流量我们需要流体的截面平均速度,而根据流体动力学的知识我们知道这两者之间的关系为:2_V C tg VT 2.5 K 2DK其中,K 是流体动力学修正系数 。关于 K 我们在后面章节有详细讨论。 _从式 2.5 中 我们可以看到V 与 C 有关,而 C 又受到流体的类型、温度等参数_的影响,而且 C 的变换对V 的影响很大,为了消除它的影响,我们做如下变量代换: 1 D sinTT ?T2.6 0 AB2 C那么式 2.5 可以表示为: DT V2.7 2KT? sin 2?0那么我们可以得到瞬时流量: 2_

48、11 ?D D ?T2Q?D ?V2.8 244 KT? sin 2?0那么t ,t 时间段的累积流量为 : 1 2t2t12.2 流 量计 算方程的 优化 2.2.1 利 用有 限元方法 和 ANSYS 软 件开 展有限元 分析 我 们 知 道 流 体 在 输 送 管 道 中 的 流 场 非 常 复 杂 , 尤 其 是 在 流 经 弯 管 处 流 场 的 扰动 特 别 大 , 其 流 动 速 度 和 管 流 压 力 等 参 数 都 会 发 生 较 明 显 的 变 化 , 产 生 较 大 的 压13力损失 。 因 此 , 我 们 在 设 计 流 量 计 时 有 必 要 分 析 这 些 变 化

49、因 素 。 以 往 在 管 道 流场 参 数 的 理 论 分 析 中 , 常 用 的 方 法 是 假 设 流 体 流 经 弯 管 后 的 速 率 保 持 不 变 , 而 压力 损 失 也 是 由 以 往 的 经 验 公 式 估 计 得 到 的 , 虽 然 分 析 计 算 简 单 , 但 是 存 在 较 大 误差 。 我 们 从 超 声 波 流 量 计 的 实 际 情 况 出 发 , 综 合 考 虑 管 道 输 送 过 程 中 的 工 况 参 数9 电子科技大学硕士学位论文 和边界条件,利用有限元软件 ANSYS 中的 FLOTRAN CFD 分析 功能对直管和直臂 弯 管 中 的 流 场 速

50、度 、 压 力 变 化 进 行 数 值 分 析 , 得 出 流 场 中 压 力 和 流 速 的 变 化 情况 。 通 过 分 析 有 利 于 我 们 了 解 管 道 流 场 的 分 布 情 况 , 为 优 化 流 量 计 算 方 程 和 超 声波换能器的安装提供理论指导。 ANSYS 软 件是融结构、 流体、 电场、 磁场、 声场分析于一体的大型通用有限14元分析软件 。 由世界 上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发。 它能与多数 CAD 软件共 享数据,如 AutoCAD ,Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I -DEAS 等,ANSYS 软 件

51、主要包括三个局部:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。 ANSYS 软件具备专门用于分析二维和三维流体流动场的先进工具 FLOTRAN CFD , 运 用 它 可 以 实 现 流 体 的 层 流 和 湍 流 分 析 , 通 过 定 义 单 元 类 型 , 创 建 几 何 模型 , 划 分 网 格 然 后 加 载 求 解 , 可 以 得 到 流 体 在 各 个 方 向 上 的 速 度 矢 量 图 , 以 及 速度场分布图。我们利用 ANSYS 软件 对直管以 及直臂弯管内流体的速度场进行仿真, 由于篇幅限制, 论文中只给出了对直臂弯管内流体的速度场仿真的局部结果。 2.2.1.1 直臂弯管内流

52、体的速度场仿真 我们 针 对 管 道 的 实 际 几 何 结 构 建 立 了 三 维 模 型 , 并 根 据 其 轴 对 称 特 性 简 化 为二维模型以节省计算机资源,提高运行速度。图 2-2 直臂 弯管轴平面模型 对长直管的 整 个 仿 真 过 程 和 对 直 臂 弯 管 是 相 同 的 , 只 是 模 型 图 及 最 后 的 显 示结果不同。 建立模型, 如图 2-2 所示: ( 模型参数为: 管径 30mm , 进 口段管长 10mm ,10 第二章 时差 法超声波流量计的理论研究 出口段管长 20mm ) 其次,对上述模型进行自由 网格划分,结果如下列图:图 2-3 自由 生成的网格图 在模型的进口处加载 V 2 ,V 0 ,V 0 的 边界条件,并考虑 在所有壁面处X Y Zy,