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长春师范学院

本科毕业论文（设计）

（理工类）

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长春师范学院本科毕业论文（设计）

长春师范学院本科毕业论文（设计）作者承诺保证书

本人郑重承诺：本篇毕业论文（设计）的内容真实、可靠。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人愿承担全部责任。

论文作者签名：

日期：年月日

长春师范学院本科毕业论文（设计）指导教师承诺保证书

本人郑重承诺：我已按有关规定对本篇毕业论文（设计）的选题与内容进行指导和审核，坚持一人一题制，确认由作者独立完成。如果存在学风问题，本人愿意承担指导教师的相关责任。

指导教师签名：

日期：年月日

I

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摘要

超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术。超声波流量计以其非接触、易于安装维护、不会改变流体的流动状态、不产生附加阻力等优点在工业、民用等多领域获得了广泛的应用。超声波流量计作为一种新型仪表，在市场上已经有产品问世，但由于存在一些技术问题，仍没有得到普遍的应用。近几年，传感器技术、先进测量技术、微电子技术的快速发展，为我们进一步研究超声波流量计提供了条件，同时也推动了该仪表的产业化进程。从2004年开始，课题组成员依托吉林省科学技术厅项目“无线温度传感超声波新型热表研制”，开展了无线温度传感超声波新型热表的研制工作，其中超声波流量计的研制是课题研究的重要内容，本论文就是在这种背景下开展的。

目前，基于CPLD和MSP430的无线温度传感超声波新型热表已经研发成功，通过了吉林省电子信息产品监督检验研究所的测试，各项性能指标均达到了合同的要求，并于2008年3月通过了吉林省科技厅科技成果鉴定。

本课题的主要目的是设计并制作超声波流量计，并对相关技术进行研究。主要研究工作包括：首先简要介绍了流量计和超声波流量计的研究意义、发展历史及其研究现状；其次对超声波流速测量方法进行了理论分析，并在此基础上详细介绍了设计中采用的时差法流速测量机理；在第三章中介绍了超声波流量计测量装置的硬件设计，并重点介绍了测量装置的硬件电路以及超声波流量计的工作流程；第四章中分析了超声波流量计设计过程中的关键技术，例如：静水测量水速不为零因素分析、流量计的定标、低功耗设计、回波工作点等，同时给出了这些关键技术的具体解决方法。低功耗设计是超声波流量计设计中一个关键环节，通过采用软、硬件微功耗设计，最终仪表动态工作电流达到了12μA，静态工作电流达到2~3μA，电池寿命10年以上，满足了系统对备用电池的要求；第五章是超声波流量计的实验研究部分，给出了超声波流量计的测试数据，分析了超声波流量计测量误差产生的原因，并提出了提高测量精度的三种方法；最后进行了全文总结。

该超声波流量计具有始动流量小、压损小、功耗低、工作可靠、功能齐全等优点，具有较好的市场应用前景。

关键词：超声波流量计时差法CPLD MSP430单片机

II

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Abstract

Ultrasonic flow measuring technique which is a new measuring technique, can measure the velocity of flow according to the theory that ultrasonic can carry the information of the liquid when it transits the flowing liquid. Ultrasonic flow meter has many advantages such as: non-contacting, simple fixing and maintaining, not changing the liquid’ flow state, no additional resistance etc. So ultrasonic flow meter it is widely used in industry and civilian measurement. Ultrasonic flow meter is a novel instrument and the products have appeared on the market.However, there are some technical matters of the products. So, ultrasonic flow meter hasn’t been applied widely.In recent years, sensors technique, measuring technique and microelectronic technology are developing rapidly. It provides the condition for further studies on ultrasonic flow meter, at the same time, it speeds up industrialization. From 2004, all the members of the project group support the project of the Office of Science and Technology of Jilin province, which called the development of wireless temperature sensor ultrasonic new-type heat meters. Fabrication of ultrasonic flow meter is the important research content of the project. This paper is starte d in this context.

The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good potential application of market. The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good potential application of market.

The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good potential application of market.

The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good potential application of market.

The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good potential application of market.

The ultrasonic flow meter has many advantages such as low starting flow,small pressure loss,low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good

III

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potential application of market.

Key Words: Ultrasonic flow meter Time difference method CPLD MSP430;

IV

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目录

承诺保证书...............................................................................................................................I 摘要..................................................................................................................................... I I ABSTRACT ......................................................................................................................... III 第一章绪论. (1)

1.1本课题的来源及研究意义 (1)

1.1.1 本课题的来源 (1)

1.1.2 课题的研究意义 (1)

1.2流量计概述 (1)

1.2.1 流量计的发展历史 (1)

第二章超声波流量计流速测量机理研究 (2)

2.1流量的基本概念 (2)

2.2超声波测速方法分类 (2)

2.2.1 传播时间差法 (2)

2.2.2 波速偏移法 (2)

结论 (4)

参考文献 (5)

附录1 (6)

附录2 (7)

致谢 (9)

V

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第一章绪论

1.1 本课题的来源及研究意义

1.1.1 本课题的来源

本课题——超声波流量测量的设计与实现是吉林省科学技术厅委托长春工业大学承担吉林省科技发展计划中“无线温度传感超声波新型热表研制”项目中重要的研究组成部分。

1.1.2 课题的研究意义

我国的水资源相当缺乏，人均占有量远远低于国际平均水平，而且分布也不平衡。整体来说，东南部分水资源较为丰富，而西北由于降水少，水资源极度缺乏。

1.2 流量计概述

1.2.1 流量计的发展历史

自古以来，流量测量是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。

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2 第二章 超声波流量计流速测量机理研究

2.1 流量的基本概念

单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q 表示，单位为3m /s ；后者称为质量流量，用G 表示，单位为kg/s [49]。

体积流量Q 的计算式为：

_

Q u A = (2-1)

式中，A 为与流速_u 相垂直的通道横截面积，单位是2m ；_u 为沿通道横截面上的流体平均速度，单位是m /s 。

质量流量G 的计算式为：

G Q us ρρ== (2-2) 式中，ρ为流体密度，单位是3kg/m 。

2.2 超声波测速方法分类

超声波测速方法按照其测量原理大体可以分为：传播时间差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等几种主要方法[22][23][24]。

2.2.1 传播时间差法

超声波在流体中传播时，与声波在静止流体中传播的速度相比，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则会减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播时间之差与被测流体流速之间的关系求得流速，称之传播时间差法。通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据时差的表现形式不同可以分为时差法、相位差法和频差法。

1. 频差法

频差法是由顺流发射的一组超声波发射器(1T )和接收器(1R )，及另一组逆流的发射

器(2T )和接收器(2R )各自组成发射-接收的闭路循环系统，其发射-接收的循环频率分别

为：

2.2.2 波速偏移法

超声波束在流体流动的影响下，其波束的方向会发生偏移。在超声波束与流动方向垂直时，这一偏移更是明显，所以利用波束偏移法进行测量的超声波流量计均在垂直流速方向上发射超声波。超声波束方向的偏移，是以接收换能器所接收的波束强度

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的差值变化来反映的，如图2-1所示。

图2-1 波束偏移法原理

图中1为发射器；2为放大器。

如表2-1所示(其中tpd表示设计从输入到非寄存器输出的最小数据延迟)。

表2-1 MAX7000系列器件集成密度和工作速度

在MAX7000AE系列器件结构中主要包括LAB(Logic Array Block)、宏单元(Macro-cells)、扩展乘机项E-PT(Expander Product Terms)、可编程连线阵列PIA(Programmable Interconnect Array)和控制块(IO Control Block)。

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结论

超声波流量计以其独特的优点在工业测量方面获得了较为广泛的应用，但是由于超声波流量计本身的特点，在对小口径和慢流速流量的测量方面，测量的精度不高，容易受测量环境的影响，稳定性和可靠性都较差。本文在深入研究传统超声波流量计工作原理的基础上，对现阶段市场上超声波流量计进行分析，吸收利用了当代超声波测量领域和电子行业的一些新技术，设计并实现了基于CPLD的时差法超声波流量计。

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参考文献

[1] 李广峰，刘防，高勇.时差法超声波流量计的研究[J].电测与仪表，2000，37（9）：

14-19．

[2] 蒋树义.单片机在超声波流量计中的应用研究[J].工业计量，2000（SO）：204-205．

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附录1

TDC-GP2外围电路图

热表实物图

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附录2

测量传感器中心频率部分程序清单

#include

#include

void pwm(char _PWMCTL_,char _PWMPOL_,char _PWMCLK_,

char _PWMCAE_,char _PWMPRCLK_,char _PWMSCLA_,char _PWMSCLB_)

{

PWMCTL=_PWMCTL_; /*8位或16位选择*/

PWMPOL=_PWMPOL_; /*各通道输出波形极性选择寄存器：1：输出高；0：输出低*/

PWMCLK=_PWMCLK_; /*各通道时钟选择寄存器：*/

PWMCAE=_PWMCAE_; /*1：中心对齐排列；0：左边对齐排列*/ PWMPRCLK=_PWMPRCLK_;/*预分频*/

PWMSCLA=_PWMSCLA_;

PWMSCLB=_PWMSCLB_;

}

void pwme(char _channel,char onoff)

{volatile unsigned char _pwme;

if(onoff==0)

{

_pwme=0x01;

_pwme=_pwme<<_channel;

_pwme=~_pwme;

PWME=_pwme&PWME;

}

else if(onoff==1)

{

_pwme=0x01;

_pwme=_pwme<<_channel;

PWME=_pwme|PWME;

7

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_pwme=0x01;

_pwme=_pwme<<_channel;

_pwme=~_pwme;

PWME=_pwme&PWME;

}

else if(onoff==1)

{

_pwme=0x01;

_pwme=_pwme<<_channel;

PWME=_pwme|PWME;

8

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致谢

值此论文即将完成之际，谨向所有关心、帮助我的老师、同学、朋友和亲人表达诚挚的谢意。

本论文是在导师某某副教授的精心指导和悉心帮助下完成的。在三年的时间里，韩顺杰老师在百忙之中给予了我学习上的悉心指导和生活上的莫大关怀，使我对导师充满深深的感激之情和无比的敬重之意。韩顺杰导师对我学习的耐心指导和大力帮助使我的学业不断的取得进步，她认真务实的科研精神、广博的知识、孜孜不倦的工作态度对我的学习是一种激励和鞭策。在此，我向韩老师表示深深的谢意和诚挚的祝福。

在本课题的研究工作中，我遇到了许多问题，某某老师给予我耐心的指导和无私的帮助。在此，我向尤文老师表示真诚的感谢。

在课题的研究过程中，实验室的同学也给予我大量的帮助，在此我向他们表示感谢。

另外，在论文的撰写过程中得到了陈军、李征燕等同学的帮助，在此向他们表示深深的谢意。

感谢4班全体同学，几年来他们在学习、工作和生活中给了我很多的帮助和支持，使我的研究生生活收获很多，在此衷心的感谢他们！

最后，要衷心感谢我的父母及家人，感谢他们多年来对我深深的无私的爱和毫无保留的鼓励与支持。衷心的祝福他们身体健康，永远快乐！

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