超聲波流量計(jì)是一種測(cè)量不同介質(zhì)流量的儀器,它根據(jù)超聲波在流體介質(zhì)中傳播時(shí),流體介質(zhì)的流速信息會(huì)包含在超聲波信號(hào)中的原理,通過(guò)分析超聲波信號(hào)來(lái)獲取流體介質(zhì)的流速信息。由于超聲波流量計(jì)具有非接觸式測(cè)量、精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)測(cè)量方面有著廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外超聲波流量計(jì)的研究得到飛速發(fā)展,但是由于氣體在管道內(nèi)的流速分布非常復(fù)雜,在研制氣體超聲波流量計(jì)的過(guò)程中存在著許多難點(diǎn),尤其在小流量情況下流量計(jì)的精確度和穩(wěn)定性方面還沒(méi)有得到很好解決,需要進(jìn)一步的提高。通過(guò)參考大量文獻(xiàn)可知,氣體超聲波流量計(jì)的精度不高,一方面是由于在區(qū)分超聲波信號(hào)與雜波信號(hào)時(shí)出現(xiàn)誤判的幾率相對(duì)較高,另一方面在測(cè)量超聲波傳播時(shí)間時(shí)測(cè)時(shí)系統(tǒng)的精度不高,導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間的誤差較大。本文設(shè)計(jì)的氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)主要采用以下幾個(gè)改進(jìn)措施來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,首先在硬件架構(gòu)方面采用集成度較高的FPGA芯片代替了傳統(tǒng)的單片機(jī)加CPLD的架構(gòu)模式,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路,提高系統(tǒng)的快速性。其次采用改進(jìn)的時(shí)差法的算法消除了溫度對(duì)流量計(jì)精度的影響,然后通過(guò)對(duì)信號(hào)的波幅和周期兩個(gè)捕獲條件準(zhǔn)確的識(shí)別超聲波信號(hào)和雜波干擾信號(hào),同時(shí)運(yùn)用脈沖計(jì)數(shù)法和邊沿檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的測(cè)時(shí)方法提高了流量計(jì)的精度。最后采用小波閾值降噪處理,通過(guò)降噪重構(gòu)信號(hào)還原了真實(shí)值,進(jìn)一步提高了流量計(jì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。本文以上述幾個(gè)方面的改進(jìn)措施和創(chuàng)新點(diǎn)為核心,試制了氣體超聲波流量計(jì)的樣機(jī),以空氣為介質(zhì)完成了管道氣體流速流量的測(cè)量,最后通過(guò)氣體超聲波流量計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出樣機(jī)的準(zhǔn)確度較高,重復(fù)性較好,達(dá)到了預(yù)期要求,具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TH814.92
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 氣體超聲波流量計(jì)研究背景
    1.2 超聲波流量計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程
    1.3 超聲波流量計(jì)種類及分類方法
    1.4 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理
        1.4.1 時(shí)差法
        1.4.2 多普勒法
        1.4.3 相關(guān)法
        1.4.4 波束偏移法
    1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容
    1.6 本章小結(jié)
2 氣體超聲波流量計(jì)理論分析與研究
    2.1 超聲波的傳播特性
    2.2 超聲波換能器機(jī)理研究
        2.2.1 超聲波換能器簡(jiǎn)介
        2.2.2 超聲波換能器工作原理及性能指標(biāo)
        2.2.3 氣體超聲波流量計(jì)換能器的安裝方式
    2.3 時(shí)差法改進(jìn)算法
    2.4 流體在圓形管道內(nèi)流速分布分析
        2.4.1 層流狀態(tài)下流速分布
        2.4.2 紊流狀態(tài)下流速分布
    2.5 本章小結(jié)
3 系統(tǒng)方案和硬件設(shè)計(jì)
    3.1 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    3.2 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)
    3.3 超聲波接收信號(hào)處理硬件設(shè)計(jì)
        3.3.1 放大濾波電路
        3.3.2 比較電路
    3.4 FPGA硬件電路
    3.5 本章小結(jié)
4 FPGA設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)
    4.1 FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹
    4.2 超聲波信號(hào)捕獲的原理及實(shí)現(xiàn)
        4.2.1 信號(hào)捕獲
        4.2.2 延遲開(kāi)窗技術(shù)
        4.2.3 高低測(cè)時(shí)頻率設(shè)置
    4.3 高精度測(cè)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
        4.3.1 傳統(tǒng)測(cè)時(shí)方法
        4.3.2 邊沿檢測(cè)法
        4.3.3 邊沿檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
    4.4 在線數(shù)據(jù)處理方法
        4.4.1 異常數(shù)據(jù)識(shí)別方法
        4.4.2 在線異常數(shù)據(jù)處理方法
    4.5 基于小波變換數(shù)據(jù)處理
        4.5.1 小波變換的基本理論
        4.5.2 時(shí)差數(shù)據(jù)小波閾值降噪分析
    4.6 本章小結(jié)
5 氣體超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)研究
    5.1 超聲波流量計(jì)性能要求
    5.2 氣體超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
    5.3 氣體超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
        5.3.1 不同超聲波探頭對(duì)比實(shí)驗(yàn)
        5.3.2 氣體流量計(jì)流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    5.4 誤差分析
    5.5 本章總結(jié)
6 總結(jié)與展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄

【參考文獻(xiàn)】

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