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宽波束超声波流量计的研究与设计

作　者: 贾幸娟
导　师: 莫德举
学　校: 北京化工大学
专　业: 检测技术及自动化装置
关键词: 超声波流量计 兰姆波 自动增益控制 跟踪带通滤波器 FPGA
分类号: TH814
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 279次
引　用: 1次
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内容摘要


本课题所研究的宽波束超声波流量计，使用宽波束兰姆波代替传统的窄波束超声波，旨在解决传统窄波束超声波流量计本身存在的一些不足。 论文研究了兰姆波的相关理论，给出了波特性和其激发方法，对激发兰姆波所用换能器的各参数需要满足的条件进行了分析，并进行了具体电路的设计。系统以单片机MSP430F448为核心。并根据宽波束超声波流量计的特点重点进行了自动增益控制放大器和跟踪带通滤波器的设计。流量计采用外夹式安装，电源采用220V交流和锂电池两种供电方式。 为了提高流量计的精度，使用FPGA倍频移相技术在低频时钟的情况下实现了对两个通道的超高频精确计时。并通过宽波束流量计特有的第二通道对零点漂移进行自动调整。 实验证明，宽波束超声波流量计具有很宽的接收范围。

全文目录


第一章 绪论  8-14
  1.1 流量测量的重要性  8
  1.2 流量仪表的分类  8-9
  1.3 超声波流量计的概况  9-13
    1.3.1 超声波流量计的历史、现状和发展情况  9-11
    1.3.2 超声波流量计的优点和局限性  11-12
    1.3.3 超声波流量计的分类  12-13
  1.4 课题的主要任务  13-14
第二章 时差法超声波流量计的工作原理  14-19
  2.1 时差法超声波流量计的基本原理  14-15
  2.2 流体力学分析及超声流量方程的修正  15-19
    2.2.1 层流状态下的修正系数  15-16
    2.2.2 紊流状态下的修正系数  16-19
第三章 兰姆波的原理及其在超声波流量计中的应用  19-34
  3.1 兰姆波基本原理  19-25
    3.1.1 声波的基本类型  19-21
    3.1.2 兰姆波的波型  21
    3.1.3 兰姆波的相速度  21-24
    3.1.4 兰姆波的产生  24-25
  3.2 兰姆波在超声波流量计中的应用  25-28
    3.2.1 兰姆波进行流量测量的原理  25-26
    3.2.2 宽波束超声波流量计的优点  26-28
  3.3 宽波束超声波流量计的计算公式  28-30
    3.3.1 固定式V型安装超声流量传感器时差法的改进算法  28-30
    3.3.2 动态调零  30
  3.4 管道流量测量中兰姆波的激发  30-34
    3.4.1 兰姆波激发方法的选择  30-31
    3.4.2 用于产生兰姆波的换能器的参数选择  31-34
第四章 宽波束超声波流量计的硬件设计  34-63
  4.1 宽波束超声波流量计的硬件电路的基本结构  34
  4.2 主要芯片的选取  34-36
    4.2.1 单片机的选取  34-35
    4.2.2 FPGA的选取  35-36
  4.3 兰姆波发射电路设计  36-38
    4.3.1 产生激发脉冲  36-37
    4.3.2 发射驱动电路  37-38
  4.4 接收电路的设计  38-47
    4.4.1 放大电路  38-42
    4.4.2 跟踪带通滤波电路  42-45
    4.4.3 整形电路  45-47
  4.5 切换电路  47
  4.6 计时部分  47-58
    4.6.1 测量原理  48-49
    4.6.2 系统结构  49
    4.6.3 具体实现  49-54
    4.6.4 配置下载  54-58
  4.7 单片机对切换电路和计时电路的控制  58-59
  4.8 系统供电设计  59-63
    4.8.1 220VAC供电变压设计  59
    4.8.2 锂电池充电设计  59-60
    4.8.3 双电切换  60-61
    4.8.4 各器件供电设计  61-62
    4.8.5 供电电压监控  62-63
第五章 单片机的基本设置与软件流程  63-68
  5.1 单片机的基本设置  63-65
    5.1.1 微处理器时钟电路的设计  63-64
    5.1.2 内部定时器的设置  64-65
    5.1.3 比较器的设置  65
    5.1.4 电压监控芯片(SVS)设置  65
  5.2 单片机的软件流程  65-68
    5.2.1 MSP430单片机的编程语言和编译环境  65-66
    5.2.2 软件总流程  66-68
第六章 实验结果和误差分析  68-75
  6.1 电路调试结果  68-70
    6.1.1 发射电路的调试  68-69
    6.1.2 放大电路的调试  69
    6.1.3 自动跟随带通滤波电路的调试  69-70
  6.2 宽波束超声波流量计测量实验  70-73
    6.2.1 宽接收范围实验数据  70-71
    6.2.2 兰姆波产生的可能性分析  71-73
  6.3 系统误差分析  73-75
结论与展望  75-76
参考文献  76-79
附录  79-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间发表的学术论文  82

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 热工量的测量仪表 > 流量测量仪表
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