单声道超声波流量计的研制.pdf

Development of Single-Path Ultrasonic
Flowmeter
By
Xuesong Zhao
A Dissertation Submitted to
China Jiliang University
In partial fulfillment of the requirement
For the degree of
Master of Engineering
China Jiliang University
March, 2013
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的
研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发
表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的
学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均
已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名: 签字日期: 年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留、使用学位论文的
规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数
据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借
阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(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: 导师签名:
签字日期: 年月日签字日期: 年月日
中图分类号 TH814 学校代码 10356
UDC 密级公开
硕士学位论文
MASTER DISSERTATION
单声道超声波流量计的研制
Development of Single-Path Ultrasonic
Flowmeter
作者赵雪松导师赵伟国副教授
申请学位工学硕士培养单位中国计量学院
学科专业测试计量技术及仪器研究方向流量检测与自动化仪表
二〇一三年三月
致谢
首先我要把最诚挚的感谢献给我的导师赵伟国副教授。在攻读硕士学位的
两年半时间里,赵老师给予了我极大的关心、支持和帮助。赵老师渊博的学识、
敏锐的科学洞察力、实事求是的学术作风促使我在科研学术方面不断进取、刻
苦追求;全面的知识体系、严谨的治学态度、丰富的实践经验对我产生了深刻
的影响,使我受益匪浅,受用终生。在此,谨向我的导师致以我最诚挚的敬意
和最衷心的感谢。
感谢沈平平等师兄的悉心指导和帮助,许多学习和科研中的难题都是在他
们的帮助下得以解决,他们是论文工作得以顺利完成的重要因素。感谢梁佳娜、
田福真、马文涛以及 10 级研究生全体同学对我的帮助,正是因为他们,让我的
研究生生活丰富多彩,令人难忘。同时感谢王成李、戴连超、谈红伟等众师弟
对我学习和工作上的鼎力支持和帮助,祝他们学业有成。
感谢父母和家人,感谢他们无私的奉献!他们始终如一的关爱和鼓励让我
战胜了一个又一个困难和挫折,他们一直是我生活中不可或缺的支柱。在此祝
愿他们身体健康,平安快乐。
再次向所有关心和帮助过我的老师、同学、家人和朋友致以最诚挚的谢意
和美好的祝愿!
赵雪松
2013 年 03 月
单声道超声波流量计的研制
摘要:超声波流量计作为一种非接触式新型流量计,具有无压损、量程比宽、
可测极小流量、适用各种特殊流体等特点,被广泛应用于环保、工业生产、能
源运输以及日常生活等方面。我国对超声波流量计的研究起步晚,目前,国内
对超声波流量计的研究仍主要集中在硬件电路和信号处理方面,很少涉及对一
次仪表的仿真分析,因此,其提高超声波流量计测量精度的能力有限。
本文在前人对时差法超声波流量计的研究基础上,对单声道小管径超声波
流量计进行了深入的研究。首先,针对流体温度变化及电子线路延时对测量精
度的影响,提出了具有温度和电子线路延时时间自动补偿功能的测量方法,并
完成了相应的硬件电路设计;针对小管径超声波流量计声程短、时差信号难以
捕获的问题,提出了内置反射装置的管道模型,采用 CFD 方法对一次仪表进行
数值仿真,以流量补偿系数 K 及其均方根误差为评定依据,研究了反射片的不
同形状、特征尺寸、轴距以及不同渐缩角管道模型的流场特性,设计了最佳渐
缩式管道模型;采用低功耗的设计思路,完成了系统的硬件和软件设计,硬件
方面设计了换能器低电压激励电路和收发时序控制电路,信号处理方面,采用
信号范围门结合软件滤波方法滤去噪声信号,有效提高了系统的抗干扰能力,
降低了功耗,并最终完成了样机制作。
论文最后对样机进行了实验研究,在完成标定后,采用标准表法对样机进
行了瞬时流量实