天然氣是我國(guó)的主體能源之一,具有清潔、高發(fā)熱量、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),是建設(shè)清潔低碳、安全高效體系的重要組成部分。在天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷(xiāo)的各個(gè)環(huán)節(jié)中,科學(xué)的高效的計(jì)量手段都是重中之重。隨著流量計(jì)的發(fā)展,在眾多流量計(jì)中,超聲波流量計(jì)在近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展。但隨著超聲流量計(jì)的廣泛應(yīng)用,其功耗大、數(shù)據(jù)傳輸困難等問(wèn)題也暴露出來(lái),這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著超聲波流量計(jì)的未來(lái)發(fā)展。目前,超聲波流量計(jì)市場(chǎng)常年被外國(guó)產(chǎn)品占據(jù)。國(guó)產(chǎn)流量計(jì)的測(cè)量精度相對(duì)偏低,功耗偏高,在高精度測(cè)量領(lǐng)域有所不足。本文設(shè)計(jì)了一款低功耗、高精度的超聲波氣體流量計(jì),用于低壓燃?xì)鉁y(cè)量領(lǐng)域。流量計(jì)擁有兩個(gè)型號(hào),分別針對(duì)于DN50與DN80管徑。本論文采用時(shí)差法測(cè)量原理,采用雙通道測(cè)量的方式。使用C8051F960單片機(jī)作為控制模塊核心,TDC-GP22作為時(shí)間測(cè)量芯片,設(shè)計(jì)了超聲波流量計(jì)。在流量計(jì)設(shè)計(jì)中,本文提出了低功耗設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)該方案完成了芯片的選型與硬件電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)各信號(hào)的大小與性質(zhì)不同,本文采用三個(gè)PCB板,分別是主控板、收發(fā)板與接口板。此外,為便于維護(hù),本文單獨(dú)設(shè)計(jì)了超聲波獲取與發(fā)射電路和信號(hào)處理電路,將其放置在獨(dú)立的PCB板上,通過(guò)... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：84 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖2-1時(shí)差法測(cè)量原理圖

第二章基礎(chǔ)原理與方案設(shè)計(jì)11更為復(fù)雜，但可以較為有效的抵消徑向流速引起的誤差。(a)(b)圖2-2多通道布局。(a)平行式；(b)交叉式值得注意的是，無(wú)論交叉式布局還是平行式布局，均為管道橫截面上的布置方式。從縱截面看，每個(gè)通道探頭的布置方式仍同單通道相同，呈Z型。因此，其原理與單聲道相同。同樣利用順逆流時(shí)間差進(jìn)行流速測(cè)量。對(duì)多聲道布局中的第i個(gè)通道，其聲波傳遞路徑上的流速為[25]：i(11)sin2iABiBAiivttD(2-5)其中，iD為通道的長(zhǎng)度，i為該通道與管道夾角，ABit與BAit為該通道的順流與逆流時(shí)間。根據(jù)通道的位置不同，各通道測(cè)的數(shù)據(jù)所占權(quán)重也各不相同。因此，在進(jìn)行多聲道流速測(cè)量時(shí)，需加權(quán)計(jì)算。多聲道流量計(jì)的瞬時(shí)流速為：iiiVwv(2-6)其中，iw為通道i所占權(quán)重。燃?xì)獾乃矔r(shí)流量為：22=22iiiDDQVwv(2-7)

第二章基礎(chǔ)原理與方案設(shè)計(jì)13兩相對(duì)交叉放置。出于工程制作考慮，令=51°，兩通道的夾角相等，呈對(duì)稱(chēng)分布，因此，可認(rèn)為兩通道的權(quán)重相同。圖2-3測(cè)量裝置通過(guò)四個(gè)探頭分別進(jìn)行一次發(fā)送-接收數(shù)據(jù)，即可獲取該時(shí)刻內(nèi)管內(nèi)流場(chǎng)分布的更多狀況，從而得到更高精度的流量數(shù)據(jù)。2.2.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.3.1硬件整體結(jié)構(gòu)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的主要功能由三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：控制模塊、測(cè)量模塊與通信模塊。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先，由控制模塊向時(shí)間測(cè)量芯片及超聲波獲取接收電路發(fā)出信號(hào)，使得相應(yīng)的超聲波換能器通道開(kāi)啟，并開(kāi)始測(cè)量。時(shí)間測(cè)量芯片發(fā)出激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的變壓器后，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波。聲波信號(hào)被對(duì)應(yīng)換能器接收后，被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)處理模塊對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大與濾波，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。時(shí)間測(cè)量芯片接收到處理后的信號(hào)后，測(cè)出發(fā)出與接收到信號(hào)的時(shí)間差，并將結(jié)果傳遞至單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到流量數(shù)據(jù)并存入儲(chǔ)存器中。根據(jù)功能，我們將系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，圖2-4為系統(tǒng)的硬件框圖。控制模塊，由單片機(jī)構(gòu)成�？刂颇K是超聲波流量計(jì)的核心，負(fù)責(zé)維持流量計(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)量模塊由時(shí)間測(cè)量芯片、超聲波獲取與激勵(lì)電路、換能器、信號(hào)處理電路構(gòu)成。測(cè)量模塊通過(guò)超聲波換能器，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)射與接受，并對(duì)傳遞時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。通信模塊以NB-IoT模塊和RS485通信電路組成，可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別以有

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]中國(guó)天然氣計(jì)量技術(shù)及展望[J]. 常宏崗,段繼芹.  天然氣工業(yè). 2020(01)
[2]《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2019）在京發(fā)布》[J]. 石文.  石油庫(kù)與加油站. 2019(05)
[3]流量計(jì)量?jī)x表的發(fā)展與展望[J]. 李紫平.  科技風(fēng). 2019(19)
[4]國(guó)內(nèi)外天然氣計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 常季成.  儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量. 2019(02)
[5]超聲波流量計(jì)在輸氣站的應(yīng)用及誤差分析[J]. 周劉杰.  中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量. 2018(23)
[6]基于NB-IoT在智能燃?xì)獗硇袠I(yè)的應(yīng)用[J]. 孫秀良,李連.  計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通. 2018(11)
[7]基于Zanker型流動(dòng)調(diào)整器的平面雙彎頭流場(chǎng)特性研究[J]. 張巧玲,曹佳豪,楊振東,李國(guó)棟,薛文.  西安理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2018(03)
[8]我國(guó)微小流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景探討[J]. 薛曄,李晶.  自動(dòng)化儀表. 2016(10)
[9]國(guó)內(nèi)天然氣流量計(jì)選型及應(yīng)用分析[J]. 邵文,宋麗敏,張瑋.  中國(guó)石油和化工. 2015(03)
[10]超聲流量計(jì)探頭對(duì)流場(chǎng)及其測(cè)量性能影響研究[J]. 張朋勇,鄭丹丹,徐天室,張力新,胡鶴鳴.  實(shí)驗(yàn)流體力學(xué). 2011(03)

博士論文
[1]超聲流量計(jì)聲道設(shè)計(jì)與調(diào)整器流場(chǎng)優(yōu)化方法研究[D]. 陳國(guó)宇.華南理工大學(xué) 2018

碩士論文
[1]氣體超聲波流量計(jì)高壓驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理技術(shù)研究[D]. 王藝林.浙江大學(xué) 2019
[2]帶流動(dòng)調(diào)整器圓形截面管道內(nèi)流場(chǎng)分布特性研究[D]. 屈鑫鑫.西安建筑科技大學(xué) 2017
[3]基于相位差法的超聲流量檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杜婉玲.電子科技大學(xué) 2017
[4]低功耗氣體超聲流量計(jì)的研制[D]. 韓亙.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 2017
[5]基于時(shí)差法的超聲波流量檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 劉祥.電子科技大學(xué) 2016
[6]帶流動(dòng)調(diào)整器U型聲道超聲波流量計(jì)流場(chǎng)特性仿真及優(yōu)化[D]. 黃僑蔚.華南理工大學(xué) 2013
[7]DN80型工業(yè)超聲波燃?xì)獗淼难兄芠D]. 鐘連學(xué).大連理工大學(xué) 2006



本文編號(hào)：3528530