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长春工业大学学士学位论文

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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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m3/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?uA (2-1)

式中，A为与流速u相垂直的通道横截面积，单位是m；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 (2-2) 式中，?为流体密度，单位是kg/m3。

__2_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(T1)和接收器(R1)，及另一组逆流的发射器(T2)和接收器(R2)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。

1TθR1R2u2

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

密度(宏单元) 32 64 128 160 192 256 512

MAX7000S(5.0V) MAX7000AE(3.3V) MAX7000B(2.5V) √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 最快tpd(ns) 3.5 3.5 4.0 6.0 7.5 5.0 5.5 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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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。

本论文是在导师韩顺杰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，尤文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、李征燕等硕士的帮助，在此向他们表示深深的谢意。

感谢4班全体研究生同学，三年来他们在学习、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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