基于FPGA的超声波流量计的研究与设计

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1、重庆大学硕士学位论文基于FPGA的超声波流量计的研究与设计姓名：宋宏黎申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：段黎明20090604重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点在工业测量领域获得了广泛的应用。然而超声波流量计本身也存在许多不足之处，因此有必要对其加以改进和提高，以使其工作性能更加稳定可靠。本文从时差法测量原理出发，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的研究，并结合现场可编程门阵列FPGA器件，设计出了具有一定精度的智能化超声波液体流量计。论文首先针对以往超声

2、波流量计容易受温度影响而测量精度不高的问题，采用改进型的算法进行测量，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响，同时根据流体力学有关知识，对管道流体流速分布规律特别是流速分布修正系数进·行讨论，并提出了超声波流量计系统的总体设计方案。然后对插入式换能器的结构进行了设计，该结构利用球阀进行插入、取出转换，可实现换能器的在线安装。接着对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析与设计，根据所选超声换能器的特性，设计出了匹配良好的发射和接收电路，提高了收发电路的工作效率；使用多级放大和自动增益控制电路来提高放大电路的动态范围，以适应不

3、同管径的需要；采用三阶T型巴特沃思带通滤波器，提高信噪比，减小干扰信号的影响；选用低导通阻抗的模拟开关进行发射和接收通道的切换；采用现场可编程门阵列FPGA器件设计高精度计数电路实现对传播时间的精确测量；另外还介绍了软件系统的设计，主要实现对液体流量值的计算、显示、存储和传输以及参数的修改，完善了整个系统的设计。最后对研制的超声波液体流量计样机进行了实流测量试验，测试数据显示系统具有较高的测量精度，达到了设计要求，且运行稳定可靠。关键词：超声波流量计，时差法，FPGA，自动增益控制重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTUltr

4、asonicflowmeterisappliedwidelyinindustrialmeasurementfieldforthetwoadvantages，non—contactandinstallationandmaintenancewithease．However,italsohassomedisadvantages，thusitisnecessarytomakemodificationandMvanceinorderthatitCanworkmorestableandtried．Basedonthemeasurementthe

5、oryofthetime．-difference．．typeultrasonicflowmeter,thearticlemakesdeeptheoreticalresearchontheproblemofimprovingaccuracy,stabilityandreliability．And,combinationoffieldprogrammablegatearraydevices，ahi曲precisionofintelligentultrasonicliquidflowmeterisdesigned．First,onacco

6、untoftheproblemthattheaccuracyoftraditionalultrasonicfiowmeteriseasilyinfluencedbytemperature，thispaperadoptedallimprovedalgorithmtoavoidtheinfluenceonaccuracybytemperaturevariation,meanwhile，discussedthedistributionregularityofflowvelocityofpipingfluid,especiallycorre

7、lativerevisioncoefficientofflowvelocitydistributionaccordingtoknowledgeinhydromechanics，andproposedthegeneraldesignofultrasonicflowmeter．Then,thepaperdesignedthestructureofplug-in仃ansducer’whichCanrealizeonlineinstallationoftransducerbyuseballvalve．Afterthat，thearticle

8、analyzedanddesignedthehardwarecircuitofflowrneterindetail，accordingtotheselectedultrasonictransducercharacteristics，b