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1、河北工业大学硕士学位论文基于DSP的气体超声测量仪的开发与研制姓名：刘昕申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘艳萍20071101河北工业大学硕士毕业论文 i基于基于 DSP 的气体超声测量仪的开发与研制 的气体超声测量仪的开发与研制 摘 要摘 要 超声波气体流量检测技术是近年来流量检测领域的一个亮点。超声波流量计是一种利 用声学原理工作的新型流量仪表，它作为一种非接触式仪表，以其对流体无阻力、无压力 损失、受流体物理性质限制少、使用简单等优点，在供水、石油、化工、电力等领域中被 广泛应用，具有很大的前景。 本文设计了基于 DSP 的气体超声波流量计，包括流量计硬件电路设计和软件设
2、计。 系统硬件采用 DSP 作为整个系统的控制核心，实现超声波信号采集、数字信号处理等 功能。 系统软件实现了超声波信号的发射控制和数据接收，运用自适应理论对超声波信号进 行处理。系统通过时差法方式对管道内气体平均流速进行测量，基本上消除了温度变化对 系统流速测量带来的影响。使用 DSP 开发环境 CCS 进行软件开发，软件编程采用了 C 语 言和汇编语言混合编程的方法，既保证了软件结构清晰易读，开发周期短的特点，又使整 个软件开发具有较高的效率。 关键词：关键词：超声波，流量计，数字信号处理器（DSP） ，时差法，自适应滤波 基于 DSP 的气体超声测量仪的开发与研制 iiRESEARCH
3、AND DEVELOPMENT ON GAS ULTRASONIC FLOWMETER BASED ON DSP ABSTRACT As a new coming technique in the gas flow measure area, Ultrasonic Flowmeter (USF) is becoming the most favorite selection. Gas Ultrasonic Flowmeter is a new kind of flow instrument which works according to acoustic theory. It has bee
4、n widely used in the field of watersupply, oil industry, chemical industry and electric power and it is with bright blueprint in virtue of its many advantages, such as non-contact, no resisting force and pressure loss in the pipe of flow meter, few relationship with physical feature of gas fluid and
5、 easy to use. In this paper, a gas ultrasonic flowmeter based on DSP has been designed, which contains electronic circuit of hardware and software design. DSP is the core of hardware, which controls the whole system to realize sampling of ultrasonic signal, processing of signal data, etc. The transm
6、ission and receiving of ultrasonic signal are controlled by software, and the recognition of arriving-time is based on self-adapting theory. The time-difference method is used in the measurement of gas mean flow rate, which can avoid the effect of temperature. The software is programmed with C and a
7、ssembler language, which ensures that the software has clear structure and the short development cycle, at the same time, the high efficiency can be obtained. KEY WORDS: Ultrasonic Wave, Flowmeter, Digital Signal Processor(DSP), Time-difference, Self-adapting Filter 原创性声明本人郑重声明? 所呈交的学位论文，足率人在导师指导下进行
8、研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本学位论文的研究成果不包古任何 他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对奉论文所涉及的研 究工作做出贡献的其他个人和集体。均己在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：刍】p 干同期：7 M 关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如 下各项内容：按照学拄墨末提交学位论文的E f J 剧本和电于版本：学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论 文；学校有权提供目录检索以展提供车学位论文全文或者部
9、分的闷览服务：学拉 有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：分J 旰 导师签名：摊礴n 期：2 口d ，一t t ，同期：2 a 。7 ，河北工业大学硕士毕业论文 1第一章 绪 论第一章 绪 论 1-1 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 现代工业领域一般把温度、压力、流量认为是工业自动化领域的三大检测参数。而流量测量技术与仪表可以应用于工业生产过程、能源计量、环境保护工程交通运输、生物技术、科学实验、海洋气象等诸多领域，流量计在
10、化工、冶金、石油输送、天然气输送、民用水表、民用燃气等方面有广泛的应用。无论商业贸易还是工业生产中，对流体流量计量的需求在不断增长12。 19 世纪末由于城市供水系统和管道燃气的建设的需要而出现了文丘里管压差式流量计，此后流量仪表一直改进。但直到上世纪 90 年代虽然国际流量测量学术会议上会见到一些新测量原理流量仪表的论文， 却很少见到能达到工业实用阶段的流量仪表投向市场， 推向市场的新型号仪表只是在原测量原理的基础上改进，扩展应用领域，提高性能和增加功能3。 流量计从原理上可分为传统原理流量计与新技术流量计两种。 传统原理流量计为压差式流量计，它在工业应用流量仪表中长期居于第一位，主要有以下
11、几种：弯管流量计、椭圆节流流量计、内锥体流量计、利用蝶阀为差压发生器测量并控制流量的流量计。弯管流量计由于可以利用流程管线拐弯位置现成弯管或专门制造的弯管差压发生器， 从这一意义上可以认为没有因测量而增加压力损失，直管段长度要求也较低(前 5D，后 2D，D为管道直径)，范围度也可以提高到 10:1，只是产生的差压较低。我国过去不太重视，近年在我国各界已引起注视，有了较大发展，当前我国弯管流量计的发展某些方面已处于前列； 椭圆节流流量计是为降低压差流量计的压力损失在文丘里管的基础上改进的，它范围度较宽，上游直管段长度要求也较低，最短只要 0.5D，但精度较低；内锥体差压流量计流体流过节流锥体时
12、具有调整来流流速分布畸变的作用，因此前置直管段长度要求较低，锥体后缘产生旋涡较小，从而低压端压力波动小、输出差压稳定。对于当前国内内锥体流量计的状况，有流量测试专家认为:国外厂商样本提供的技术指标，并不完全被厂商自己发表报告的试验数据所支持，且试验还做得不够，对有些技术指标表示置疑；国内实验亦不完善，应组织全社会力量做进一步试验研究；利用蝶阀为差压发生器测量并控制流量的流量计，适用于定量批量控制和定流量控制，能实现一般定流量控制阀不能实现的从高差压到微差压的定流量控制。一般“流量计+调节器+控制阀”组成控制系统，流量控制误差不能得到很好控制。总体说来，压差式流量仪表因范围度窄、要求前置直管段长
13、、压力损失大(孔板和喷嘴)，导压管易阻塞故障多和安装复杂等不足之处，挡不住各类新颖仪表的优越性能，使其所占份额一路下滑，在国外销售金额进入 21 世纪以已退居第二位45。 新技术流量计比较典型的就是质量流量计、流体振动型流量计、电磁流量计以及超声波流量计。质量流量计可分为直接法和间接法两大类。 直接法用得最多的是科里奥利流量计和热式流量计。 科里奥利质量流量计利用测量管二半部分振动频率相位差正比于质量流量以测量流量， 利用测量管谐振频率与管中被测介质密度间的函数关系求取密度， 早期的科里奥利质量流量计只能测量液体， 现在也可用于中高压气体， 并且开发用于汽车加气中测量压缩天然气的仪表。 它在流
14、程工业中还可在多种液体分次流动的管道中，判断所流液体类别，指令分流到下游相应管系。热式流量计过去主要是热分布式，应用于气体小流量测量，较多应用于半导体工业、热处理炉、分析仪器等氢、氧、氨等流量测量和控制以及阀门制造过程中的测定泄露量等。 当前热式流量计在流程工业应用较多的是热量传递效应的热分布式和热销散基于 DSP 的气体超声测量仪的开发与研制 2 效应（金氏定律）的侵入两类，前者主要用于测量微小管径气体和液体流量，后者应用于环境保护和流程工业大中型管道气体流量，其加热和温度检测元件绝大部分由电阻丝组成。它响应快，灵敏度更高，但所测流体的化学性质会给测量值带来变化。它因流量检测件小、响应快，在
15、应用其他热式流量计受限制的领域得到拓展。应用间接法的有旋涡强度型涡街质量流量计、超声质量流量计、植入温度检测元件质量流量计。总体说来，质量流量计精度高，但会导致很大的压力损失。 流体振动型流量计包括涡街流量计和漩涡进动流量计， 其缺点就在于外界产生的振动信号对其测量信号有一定的影响，而且当用于低速流动流体测量时，由于产生的振动信号强度不足，使得测量下限难以获得突破。 电滋流量计是无阻扰测量， 且接液部件易作耐腐蚀处理。 因之较多应用于腐蚀性液体和液固双相流体。近十余年来电磁流量计发展较快，在世界范围内其销售金额已居流量仪表诸品种的首位。传统电磁流量计是以测得的点流速推算面平均流速，受迎流流速分
16、布等影响，有测量精度较低的缺点，只能测量满管液体流量；非满管电磁流量计的问世，应用扩大到具有自由表面自然流的下水排放领域，并提高该领域的测量精确度， 将传统非满非满管电磁流量计必须要测量管内液体高度。 它利用两励磁绕组分别正向和反向串接， 产生两种不同磁场强度和磁场分布下测得的流速信号电势， 两电势之间的比值与液位高度有一定的函数关系。从这一关系求得管内液位高度，推算出流液体的通截面积，与传统电磁流量计相同方法测得的流速相乘，求得体积流量。插入式电磁流量计参照均速管的设计思路，在插入杆上置多套电磁流速测量单元，提高测量精度，使插入式电磁流量计在大管径应用领域处于有利地位。 超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号调制作用， 并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表。它分类方法很多，但基本原理相同：都是利用超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，从而达到测量的目的，这通称为传播速度差法。它从目前在中、大口径管道气体流量计量中的应用情况来看，在计量精度、可靠性、压力损失
