超声波流量计是否倒流_宽波束时差法超声波流量计的研究与设计

发布时间：2016-11-23 16:46

  本文关键词：时差法超声波流量计的研究，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2003年

宽波束时差法超声波流量计的研究与设计

王芳  

【摘要】： 时差法超声波流量计以其测量精度高、应用方便等优点近年来被广泛应用于工业生产中。但是采用传统的窄波束发射技术时，接收信号范围小，探头安装困难，测量时声束位置受温度影响大，易产生偏移，给测量带来不便；而采用宽波束发射技术可以很好地解决这些问题。因此宽波束时差法超声波流量计的研究无论对于工业生产还是测量技术的提高，都是一项极有意义的研究课题。 宽波束发射技术的理论基础是Lamb波理论。但是经典的Lamb波理论仅适用于单层媒质薄板，而现有的多层媒质Lamb波理论也不适用于管道流量测量的特殊情况，因此本课题根据流量测量和管道结构的特点，建立了管道宽波束声路的物理模型，在固体弹性力学和经典Lamb波理论的基础上推导出了管道Lamb波的频率方程，据此分析了管道中的声场分布，并给出了在管道中激发Lamb波的方法，从而建立了一整套管道Lamb波理论。实验数据初步证明了该理论的合理性。 多脉冲测量技术是实现宽波束测量的前提。本系统在硬件上采用了开窗技术、波形存储器等一系列具有独创性的设计方案，以TMS320F240 DSP为核心，辅以单片机、CPLD等其它电路，实现了一套完整的多脉冲测量系统。本系统不仅具有瞬时流速、流量、累积流量等显示功能，还具有电流输出和OCT输出功能，其软件稳定性好、效率高，操作灵活方便。 数据处理方面，本系统采用了先低通滤波后中值滤波(FLLM算法)、滚动滤波、均值滤波四重滤波，能自动判断流体的流态，并掘此采用不同的数据处理方法，使测量结果的稳定性和实时性都得到提高。流体流速稳定时，测量结果波动的峰峰值不超过3ns，流速跳变时能在2秒钟内跟上流速的变化，精度可以达到1％。 本文在实验的基础上建立了静态误差产生原因的模型，提出并实现了静态误差的软件自动校正，克服了以往硬件手动调零的诸多缺点，使仪表一致性和稳定性得到很大提高。经过校正，静态时测量的绝对误差小于0.01m／s。 最后，本文还提出了一种新的计时方法，可以用低频计时时钟测量高频信号，并给出了一种用PLL实现的方案。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TH814
【目录】：

0 前言7-8

1 时差法超声波流量计简介8-12

1．1 时差法超声波流量计的基本原理8-9

1．2 影响时差法测量的因素及其修正9-10

1．2．1 温度的影响及其修正9

1．2．2 流量计算的修正9-10

1．3 宽波束测量方法的提出和发展10-12

2 管道Lamb波理论12-28

2．1 宽波束法测量流量的设想及经典Lamb波理论12-15

2．1．1 宽波束法测量流量的设想12

2．1．2 超声波的类型12-14

2．1．3 经典Lamb波理论14-15

2．2 管道Lamb波理论提出的理论背景15-16

2．3 固体弹性性质与求解Lamb波的基本方法16-19

2．4 管道Lamb波的声路模型19-20

2．5 管道Lamb波的色散方程及声场分析20-24

2．5．1 Z1中Lamb波的色散方程20-23

2．5．2 Z2中Lamb波的色散方程23-24

2．5．3 管道中的声场分析24

2．6 管道Lamb波理论的实验验证与数据分析24-27

2．7 小结27-28

3 系统硬件设计28-40

3．1 系统整体硬件结构框图28-29

3．2 时差信号采集模块29-32

3．2．1 发射信号的产生29-30

3．2．2 自动可调增益放大和开窗技术30-32

3．3 数据处理及人机接口模块32-38

3．3．1 TMS320F240 DSP中央处理单元32-35

3．3．2 液晶显示器及键盘35-36

3．3．3 外部RAM及串行E~2PROM X2504536-37

3．3．4 4～20mA电流输出模块37-38

3．4 硬件抗干扰技术38-39

3．4．1 干扰的来源及危害38

3．4．2 抗干扰措施38-39

3．5 小结39-40

4 系统软件设计40-51

4．1 系统软件流程40-41

4．2 软件模块介绍41-50

4．2．1 初始化模块41-42

4．2．2 监控模块42

4．2．3 命令接收模块42-45

4．2．4 显示模块45

4．2．5 定时器和频率信号输出模块45-46

4．2．6 参数设置模块46-48

4．2．7 调试和安装模块48

4．2．8 测量模块48-50

4．2．9 运行在89C51上的软件50

4．3 小结50-51

5 数据处理51-70

5．1 数据处理概述51

5．2 时差的计算51-57

5．3 数据的消噪和平滑57-64

5．3．1 低通滤波和中值滤波（FLLM）的选择和处理结果57-59

5．3．2 一种中值滤波快速算法59-61

5．3．3 均值滤波61

5．3．4 流态的区分和数据长时间滚动滤波61-64

5．4 静态误差的分析和校正64-69

5．4．1 静态误差存在的现象64

5．4．2 静态误差产生原因的分析64-66

5．4．3 实验方法及结果分析66-68

5．4．4 校零68-69

5．5 小结69-70

6 新技术展望70-74

6．1 Lamb波发射技术的应用70

6．2 时差测量方法的改进70-72

6．2．1 声循环法70

6．2．2 一种改进的计时方法70-72

6．3 多声道测量72-74

结束语74-75

参考文献75-77

致谢77-78

附录 命令码—功能对照表78-79

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