超声波流量计系统的设计
超声波流量计数据采集系统
数 字 传 输 模 块 通 信 ， 且 它 的 结 构 决 定 了 并 超 声 波 流 量 计 的 连接 方 式 ， 因此 ， 面 将 着 下
（ ＯＯＤ）面 向对 象的 编程 （ 、 ０ＯＰ） 个部 分 ， 三 它 们 是 相 辅 相 成 的 一 个 整体 。 服 务 器 的 设 在 计 和 实 现 过 程 中 ， 们 采 用 面 向 对 象 的 设 我
等 功 能 。 虑 到 目前 自来 水 公 司 的 实 际 硬 考
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Ｓｃｉ ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈ ｎｏｌ ｙ ｎｎｏ ｏｇ Ｊ ｖａｔ ｏ Ｈｅｒ ｄ ｉｎ ａｌ
收 到 的 数 据 ， 以 提 供 数 据 分析 、 表 打 印 可 报
Ｒ Ｓ２３２和 Ｒ Ｓ４８ ５两 种 ， 些 电 路 采 用 这 Ｍ Ａｘ３ ２ Ｅ Ｍ Ａｘ３ ７１ 现 。 ２３ 和 ４ 实
２． 数据 采集控 制模 块 的软 件 设计 ２ 综 上 所 述 ， 集 控 制 模 块 软 件 具 有 以 采
下主要功能 ： 检 测 系统 中 外 围 电 路 的 状 态 。 接 收 来 自ＧＰＲＳ数 字 传 输 模块 的上 化 机命令 。 分析并处理上位机 命令。 分 析 数据 终端 协议 ， 过 向 终 端 发 送 通
基于时差法的气体超声波流量计的设计
２３ ＿通信接 口 本 系统通 过带并 行总线 的 Ｕ Ｂ接 口器件 Ｐ Ｉ Ｓ Ｄ１ Ｓ Ｄ Ｕ Ｂ ２实现 与上位 机 的通信 。Ｐ Ｕ Ｂ ２ ＤＩＳ Ｄ１ 所具 有的低挂起 功能连 同 Ｌ ｚＣｏ ｋ 出可 以 ａｙ ｌｃ 输 满 足使用 ＡＣ Ｉ ｎ Ｗ和 ＵＳ Ｐ ＮＯ Ｏ Ｂ电源管理低 操作功耗 的要求 ， 以应用 可 于使用 总线供 电的外设 。系统 的Ｕ Ｂ 口原理图如图 ３ 示。 Ｓ接 所
图２ 单声道超声波发射接 收原理 图
基 金 项 目 ： 文 系南 通 市 科 技 应 用 研 究计 划 项 目（ ２ １０ ５ Ｂ ２ １０ ２ 。 本 Ｋ ００ １ ， Ｋ ０ １１ ）
作者简介 ： 季浚涛（９ ４ ） 男， １５ 一 ， 江苏南通人 ， 工程师， 究方 向为电子、 研 电气 系统设 计与产品质量检 测
０ 引 言 ．
超声 波是振 动频率 高于 ２ ｋ 的机 械波 ， ０ Ｈｚ 振动频率 高 ， 长短 ， 波 具 有柬射 的特性 ， 以定 向传播 ， 可 具有 较强的穿透 能力 。利 用流体流动 时对超声 波束的作用来测量流体 流量的仪表就是超声波流量计 。超声 波流量测 量技 术在医疗 、 海洋观测 、 河流特别是工业管道等流量 测试 中 有着广 泛 的应用 ， 它不但 可以用 于液 体 、 固两相流 的测量 ， 液 而且可 以 用于气体 流量 的测量 。近年来 ， 高速数字信号处理技术 的发展使气体 超声波 流量测量速发展 。 本 文研制夹装便 携式 时差法气 体超声波 流量计系统 ， 应用 Ｄ Ｐ Ｓ 数 字信 号处理芯片 作为流量计 硬件 电路 的核心部件 ， 结合数 字信号处理 技术对超声波信号进行处理 ， 测量气体 的体积 流量。 １气 体 超 声 波 流 量 计 设 计 总 述
超声波流量计方案
超声波流量计方案引言超声波流量计是一种常用的流量测量设备，它利用超声波技术来测量液体、气体以及蒸汽等流体的流量。
本文将介绍超声波流量计的工作原理、应用场景以及选型时的一些建议。
工作原理超声波流量计利用超声波在介质中的传播速度与介质流速之间的关系来测量流量。
它通过发射一束超声波，并利用接收器接收超声波的反射信号来计算流速。
超声波在介质中的传播速度受到介质密度、温度和流速的影响。
通常情况下，流体的密度和温度变化较小，因此主要通过测量超声波传播时间来计算流速。
超声波流量计通常包括一个发射器和一个或多个接收器。
发射器和接收器之间的距离确定了测量路径。
当超声波经过流体时，它的传播速度会受到流体流速的影响。
接收器接收到反射的超声波信号，并将其传递给测量设备。
通过测量超声波的传播时间和路径长度，可以计算出流体的流速。
应用场景超声波流量计在许多领域都有广泛的应用，特别是在工业自动化领域中。
以下是一些常见的应用场景：1.液体流量测量：超声波流量计可用于测量液体流量，例如供水管道、化工流程、石油和天然气管道等。
2.气体流量测量：超声波流量计也可用于测量气体流量，例如空调系统、天然气和石油气流动等。
3.蒸汽流量测量：超声波流量计在蒸汽系统中也有广泛的应用，可用于测量蒸汽的流量和质量。
由于超声波流量计具有非接触式、无压力损失、广泛测量范围和高精度等优点，因此被广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量测量。
选型建议在选择超声波流量计时，需要考虑以下因素：1.测量介质：不同的超声波流量计适用于不同的介质，例如液体、气体或蒸汽。
确保选购的超声波流量计适用于要测量的介质。
2.测量范围：不同的超声波流量计有不同的测量范围。
根据实际需求选择合适的测量范围。
3.精度要求：超声波流量计的精度常常是选择的关键因素。
根据应用需求选择适当的精度。
4.环境条件：考虑超声波流量计将使用的环境条件，例如温度、压力和湿度。
选择适应环境条件的超声波流量计。
5.信号输出：超声波流量计的信号输出方式也是一个重要的考虑因素。
气体超声波流量计量系统的设计
ｔ ｄ ： ：
根据 测量 原理 ， 超声 波可 分为 时差法 、 差法 、 频 相差 法 和多 普 勒 原 理 等 类 型 ， 中 时 差 法 精 度 最 其一十 Ｃ Ｓ Ｏ Ｌ
高 ， 用最广 。测 量 原理 ：由超声 波转 换 器将 电能 应 转换 为 超声波 能量 ， 脉冲在 管线 内部分 别 以顺流 声 和 逆流 沿斜线 方 向传播 ， 测量 出声 脉 冲各 自的传输 时问， 沿顺 流 和逆 流方 向的传输 时 间差 与气体 介质 的轴 向平 均流 速有 关 ， 过计算 求 出气体 介质 在管 通
Ｄ ｉｃ ｓ ｉ ｎ ａ ｓｇ ｆＧａ ｔ ａ ｏ ｃ Ｆｌ ｗ ｅ ｅ ｉ ｇ Ｓ ｓ ｅ ｓ ｕ ｓｏ ｎｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｓ ＵＬｒ ｓ ｎｉ ｏ Ｍ ｔｒ ｎ ｙ ｔ ｍ
Ｌｉ ｎｇ， Ｌｉ ｕ Ｐｅ ｕ Ｓｈａ ｙｕ ｏ
（ ｈ ｎ ｌ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ＆ Ｃｏ ｓ ｌｉｇ Ｃ ．Ｌｔ ．，Ｄｏ ｇ ｉｇ，２ ７ ２ Ｓ ｅ ｇ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｎ ｕｔｎ ｏ ｄ ｎ ｙｎ ５ ０ ６，Ｃｈ ｎ ） ｉａ
第４ ７卷
第６ 期
石
油
化
工 自
动
化
Ｖｏｌ４７， ＮＯ． ＿ ６ Ｏｃ ｏ ｒ ２ １１ ｔ ｂｅ ． Ｏ
２１ ０ １年 １ Ｏ月
ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ Ｎ ＰＥ Ｉ ＴＲ（１ ）ＣＨＥＭ Ｉ ＣＡＬ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
气 体 超 声 波 流量 计 量 系统 的设 计
０ 引 言
气 体超 声 波 流量 计 是 ２ ０世纪 ９ ０年 代 中后 期 被 广 泛采用 的高 精度流 量测 量仪 表 ， 已成 为继孑 它 Ｌ 板 、 轮流量 计之 后很 有发展 前途 的一 种 高精度气 涡 体流 量仪 表 ， 有 测量 精 度 高 、 围宽 、 压 损 、 具 范 无 无 可动 部件 、 装使 用 费低等 特点 ， 安 受到 用户 的欢迎 。 至今 已有 美 国、 荷兰 、 国等 １ 英 ２个 国家政 府机构 批 准它 作为 贸易结 算 的法定计 量器 具 ， 在世 界天 然 并 气工 业流 量交 接计量 中逐 步取代 孔板 流量 计 、 涡轮 流量 计等 。
基于信号互相关的超声波气体流量计的设计
基于信号互相关的超声波气体流量计的设计随着科学技术的不断发展，各行各业对于测量和控制领域的需求也越来越高。
在工业生产过程中，对气体流量进行准确的测量和监控是非常重要的。
超声波气体流量计作为一种新型的流量测量仪器，在工业自动化和流程控制中得到了广泛的应用。
与传统的机械流量计相比，超声波气体流量计具有测量范围广、精度高、响应速度快等优点。
在超声波气体流量计的设计中，信号互相关技术是一种常用的测量方法。
它通过测量发送和接收超声波信号之间的相关性来确定气体流量，具有测量灵敏度高、抗干扰能力强等特点。
本文将介绍基于信号互相关的超声波气体流量计的设计方法。
一、超声波气体流量计的原理超声波气体流量计是利用超声波在气体中传播时受到流速的影响而进行测量的仪器。
其原理是利用超声波在静止气体和流动气体中传播的速度差异来测量气体流量。
在超声波气体流量计中，通常会将传感器安装在管道的两端，一个作为发射装置，另一个作为接收装置。
通过发射装置向管道中发送超声波信号，然后通过接收装置接收超声波信号，并进行信号处理和分析，最终得到气体流量的参数。
二、信号互相关技术在超声波气体流量计中的应用信号互相关是一种在信号处理和分析中常用的技术，它通过计算信号之间的相关性来获取信号的特征参数。
在超声波气体流量计中，可以利用信号互相关技术来对发送和接收的超声波信号进行分析，从而得到气体流动的信息。
信号互相关技术具有测量精度高、抗干扰能力强的特点，因此在超声波气体流量计设计中得到了广泛的应用。
三、基于信号互相关的超声波气体流量计的设计方法1. 传感器设计：在超声波气体流量计的设计中，传感器是至关重要的部分。
传感器的设计直接影响到信号采集的质量和精度。
一般情况下，传感器应具有较高的发射和接收灵敏度，能够有效地捕获管道中传播的超声波信号。
2. 信号处理：传感器采集到的超声波信号需要进行信号处理，以提取有用的信息。
信号处理包括滤波、放大、去噪等步骤，可以采用数字信号处理技术进行处理，以确保信号的准确性和稳定性。
基于超声波原理的流量计设计
基于超声波原理的流量计设计1.设计思路按照题目要求设计一个主要是基于超声波时差法结合P89LPC932单片机完成整个系统的设计，其中时间测量采用单片机对微小时间进行测量，流量测量值由数码管显示。
超声波流量计是由超声波换能器、电子线路及流量显示和累计系统三部分组成。
超声波时差法完成整个设计的关键问题是：时差法的工作原理是什么；超声波换能器如何进行转换；如何进行微小时间的测量。
2.方案设计2.1 时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。
他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
超声波在流动的流体中传播时就载上的流体流速的信息。
因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。
由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td 之间的差为：式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。
即：上式可简化为：也就是流体的流速为：由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：24DQ Vdtπ=⎰如果已经知道了L、c、D 和θ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差（Δt ）就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。
2.2 工作过程单片机发出测量命令后产生一定的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数器开始对高频方波进行计数，在接收端收到脉冲信号后，一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进贴分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲循环。
(完整版)超声波流量计设计方案及分析1毕业论文
1.引言研究利用超声波测量流体流量已经有数十年的历史了。
1928年，法国人0.Rutten研制成功了世界上第一台超声流量计。
但为了使超声波流量计有一定的精度，时差法超声波流量计要求对时间的测量至少有10mS，这在当时是很难做到的。
1955年，应用声循环法的MAXSON 流量计在美国研制成功，用于航空燃料油流量的测量。
50年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入工业应用时期。
但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位[1]。
进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事，再加上高性能、工作非常稳定的锁相技术(PLL)的出现与应用，使得超声波流量计的可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声流量计。
锁相频差法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，缺点是测量小管径小流量时精度得不到保证。
同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入细致的研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流状态和紊流状态，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。
至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、多普勒法、相关法及噪声法等。
其中波束偏移法是利用超声波在流体中传播时因流体流动产生的波束的偏移量的大小来测量流量，这种方法灵敏度低，只能用来测量大管径大流量;多普勒法利用不纯净流体中散射体的多普勒频移来测量流量，特别适用于不纯净流体的流量测量；相关法利用相关技术来测量流量，测量精度高，适用范围广，但相关流量计线路复杂，价格昂贵，一般只在要求较高的场合使用；噪声法则通过检测流体中的噪声来测量流量，这种方法线路简单，价格便宜，但精度低，只能在要求不高的场合使用。
超声波流量计方案
超声波流量计方案一、引言超声波流量计是一种常见的流量测量设备，通过利用超声波的传播特性实现对流体流量的测量。
它具有测量准确、无压力损失、无移动部件等优点，在工业生产中得到广泛应用。
本文将介绍超声波流量计的基本原理、常见类型以及应用案例，为读者提供一个全面了解和选用超声波流量计的方案。
二、基本原理超声波流量计通过发射超声波脉冲到流体中，利用声波在流体中传播的速度差异来测量流速。
其工作原理基于多普勒效应，即当声波遇到流体运动时，波长会发生变化，从而实现对流速的测量。
常见的超声波流量计包括传输时间差法和多普勒效应法，下面将分别进行介绍。
2.1 传输时间差法传输时间差法是一种基于声速差异原理的测量方法。
超声波流量计通常由两个传感器组成，一个作为发射器向下游发射超声波信号，另一个作为接收器接收信号。
超声波在流体中传播的速度取决于流体的物理性质以及流速。
当超声波流经流体时，由于流体的速度不同，传输时间会发生变化。
通过测量声波传播的时间差，可以计算出流体的平均流速。
2.2 多普勒效应法多普勒效应法是一种基于声波频率变化原理的测量方法。
超声波流量计的传感器通常同时具备发射和接收功能。
当超声波与流体运动相互作用时，声波的频率会发生变化。
对于与流体相对运动的声波而言，当流速较大时，声波频率会增加；当流速较小时，声波频率会减小。
通过测量超声波频率变化，可以计算出流体的实际流速。
三、常见类型根据实际应用需求和流体特性，超声波流量计可以分为不同类型，下面将介绍其中三种常见的类型。
3.1 声速差法超声波流量计声速差法超声波流量计采用传输时间差法进行测量，其原理是通过测量超声波在流体中传播的时间差来计算流体的流速。
该类型的流量计适用于流体中无颗粒或颗粒较小的情况，如液体或气体的流量测量。
3.2 直接时间差法超声波流量计直接时间差法超声波流量计是一种改进的传输时间差法测量方法。
与传统声速差法不同的是，该类型的流量计不再使用两个传感器，而是采用单个传感器进行测量。
超声波流量计方案
超声波流量计方案引言超声波流量计是一种常用的流量测量仪表，通过使用超声波技术来测量液体或气体流经管道的流量。
这种流量计具有高精度、无需直接接触流体、不受管道材质和粘度的影响等优点，因此在工业生产和实验室中得到了广泛的应用。
本文将介绍一种基于超声波原理的流量计方案。
方案设计原理超声波流量计通过测量超声波在流体中传播的时间来计算流速和流量。
方案的基本原理如下： 1. 发射器发射一个超声波脉冲，脉冲经过流体并被流体表面反射回来。
2. 接收器接收到反射回来的超声波脉冲，并测量脉冲从发射器到接收器之间的时间差。
3. 根据时间差和超声波在流体中的传播速度，可以计算出流体的流速和流量。
硬件设计超声波流量计的硬件设计包括以下几个主要组件： 1. 发射器：用于发射超声波脉冲。
2. 接收器：用于接收反射回来的超声波脉冲。
3. 传感器：用于将超声波波束聚焦到流体中，并接收反射波。
4. 信号处理电路：用于处理接收到的脉冲信号，并计算出时间差。
软件设计超声波流量计的软件设计主要包括信号处理算法和数据显示界面的设计。
信号处理算法是计算时间差和流速的核心部分，可以使用以下步骤实现： 1. 接收到的脉冲信号经过放大和滤波处理，去除噪声和干扰。
2. 找到接收信号的起始点和结束点，计算时间差。
3. 根据超声波在流体中的传播速度和时间差，计算出流速和流量。
数据显示界面可以使用图形界面或者命令行界面实现，根据实际需求设计合适的界面布局和数据显示方式。
实施步骤硬件实施1.按照设计要求连接发射器、接收器和传感器到相应的电路板上。
2.连接信号处理电路和显示模块。
3.进行硬件测试和校准。
软件实施1.根据信号处理算法的设计，编写软件代码。
2.设计并实现数据显示界面。
3.进行软件测试和调试。
总结本文介绍了一种基于超声波原理的流量计方案。
通过测量超声波传播的时间差，可以计算出流体的流速和流量。
该方案具有高精度和不受管道材质和粘度影响的优点。
压力补偿型超声波流量测量系统的设计
首先 由信 号发 器产生一个特定频率的信号，这
可 以是 正 弦信 号 ， 也可 以是 脉 冲 信 号 ，这 个特 定 频率
能器 的频 率。一般在 超声波 设备 中使用到 的超声波
２ ｋ 、２ ｋ ｚ ３ｋ ｚ ０Ｈｚ １０ Ｈ 。功 率 放 大 ５Ｈｚ ８Ｈ 、 ５ Ｈ 、４ ｋ 、 ０ｋ ｚ 有 多 种 形 式 ，功 率 一 般 从 ５ Ｗ 到 ５０ Ｗ 不 等 。 由信 ０ ００ 器 产 生 的 频 率信 号 经 过 功 率 放 大 器 后 需 经 过 阻抗 匹配 输 出 的阻 抗 与 换 能器 相 符 ，推 动 换 能 器 将 电信 号转 换
Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ ＆ Ａ ｐ ｉ ａｔ ｅ ｈ ｏｏｇ ｐｉ ｉ ｃ ｏｎ
与 应 用
压 量量 敢 善的 一 纨 ， 一
摘要： 超声波流量检测技术是近年来流量检测领域的～个亮点 ， 为提高测量的精度需要对所测流量值进行
压 力补偿 。 本文以时差式超声波流量测量过程中的压 力补偿为主要研究对象 ， 设计 了压力补偿系统的硬件 电路和软件程序 ，结果系统总误差小于技术指标５ ％。 关键词 ：超声波 ；流量测量 ；压力补偿 ； 中图分类号 ：Ｔ ２ ２ １ Ｐ １． 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ： ０ — ８ Ｘ ２ １ ）卜０ １ － ３ １ ６ ８ ３ （ ｏ１ ０ ６ ０ ０ ０
二 、压 力补 偿 系 统 硬 件 设 计
流体 的压 力通 过接收到的超声波频 率反
映 出 来 ， 通 过 对 频 率 差 的 测 量 就 可 以得 到对
应 的流体压力信息， 由此便可 以得知压 力引
起 的测 量 误 差 ， 进 而 实 现 压 力 的补 偿 。整 个 系 统 硬 件 由超 声波 发射 ／ 收 电 路 、压 力 传 感 接
超声波明渠流量计系统的设计方案
超声波明渠流量计系统的设计方案1. 系统总体设计方案 1.1系统设计原则：设计中应充分考虑对计量仪的数据采集及传输要求，始终坚持以下原则：(1)可靠性：在实现无人值守的情况下，系统能够长时间稳定可靠的工作； (2)先进性：系统采用组态软件和计算机网络通信技术结合的方式实现在线实时查询功能；(3)易用性:数据采集软件尽可能达到直观形象，易于操作。
1.2 总体方案本系统可分为管理层、操作层和工业现场3个层级。
系统总的示意图如图1：以太网交换机员工超声波流量计环保部门无纸无笔记录图1 系统总框图1.3 主要功能管理层可提供工厂领导浏览现场实时工况画面，也可进行如使用权限、系统配置等高级设置,同时环保站也可通过管理层对污水排量实施监控；以太网交换机作中间站将下层数据送入上层管理网络；万一计算机系统发生故障时，仪表操作人员可依传统仪表使用方法直接操作仪表；工业现场提供各种控制信号，如模拟输入/输出和开关量的输入/输出至仪表。
简明起见，我们将系统分为两大块分步设计，一块是从工业现场到交换机，即现场数据采集和通信块；另一块是从交换机到管理层，即局域网通信块。
1.4 数据传输途径污水排量经流量计检测，经记录仪数据采集后以厂家自定义协议通过RS485现场总线送入EL-100P（即RS485与TCP/IP转换器），以TCP/IP 协议进入以太网交换机，上层网络可以通过以太网交换机访问各种数据。
2 系统各模块设计2.1现场数据采集和通信块本块由以太网交换机、流量计和记录仪及RS485与TCP/IP转换器三部分所组成。
流量计为超声波明渠流量计,流量计和记录仪将传输管线上的模拟信号转换为数字信号,提供一个485数据输出口;记录仪对数字信号进行实时采集、集中显示,并根据要求作好数据的保存,便于事后查询。
本块的原理示意图如图2所示：图2 现场数据采集和通信块原理图在图2中，记录仪采用无笔无纸记录仪（每四个超声波明渠流量计配一台无笔无纸记录仪，装在现场保护箱内，系统中一共用3台。
新型井下超声波流量计的设计
清 晰可信 的脉 冲宽度 ， 证 了超 声波流 量计 的工作 性能。 电路 的前 端采用 高 频信 号 的处理办 法 ， 保 对 超声 波 回波信 号进 行 了选 频 、 波 、 干扰等处 理 。使 微 弱信号在 信噪 比和相位 失真度 上都 有很大 检 抗 提高 。重 点介 绍 以 Ｄ触发器 为 主组成 的超 声 波发射 波与 回波 的过零 点 时差脉 ） 生器 ， 中发 它是 纳秒
级 时间计数器 Ｔ Ｃ准确 可靠 的前提。该 系统 经 多次 测量和 中批 量生产 ， Ｄ 取得 了良好 的效果 。
关键 词 ： 超 声波流 量计 ； 频信号处 理 ；Ｄ触 发器 ；时间计数器 Ｔ ＣＧ ２ 高 Ｄ ．Ｐ 中图分 类号 ：Ｈ １ ．２ Ｔ ８４ ９ 文献标 识码 ： Ｂ 文章编号 ： ０ ～ ８４ ２１ ）６— ００— ３ １ １ ０７ （００ ０ ０３ ０ ０
ｍｅｅ ．Ｔｈ ｒｎ — ｎ ｎ ｔ ｉｃ ｉ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓｔ ｅ ｓ ｌｃｅ ｅ ｕ ｎ ｙ，ｄ ｔｃ ｉｎ，ａ ｄ ｉ ｔｒｅ ｅ ｃ ｆｕ ｔａ ｏ ｉ ｃ ｏ ｔｒ ｅ ｆ ｔｅ ｄ ｉ ｈｅ ｃｒ ｕ ｔ ｒ ｃ ｓ ｅ ｈ ｅｅ ｔｄ ｆ ｑ ｅ ｃ ｒ ｅｅ ｔ ｏ ｎ ｎ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｌ ｓ ｎｃ ｅ ｈ ｆ ｒ
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超声波流量计系统的设计
超声波流量计系统的设计樊伟佳（陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业,2012级1班，陕西汉中 723004）指导教师：秦伟[摘要]超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表，并且以其非接触式的测量、高精度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。
本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。
设计系统时选择了一些基本电路设计了以下电路：超声波发射电路，超声波接收电路，LED显示电路，主从单片机电路，电源电路以及存储电路等，成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特点。
另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。
[关键词]超声波流量计；单片机；时差法；The Design of Ultrasonic Flow Meter SystemFan Weijia(Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Qin Wei[Abstract]: Ultrasonic flowmeter is the use of ultrasonic wave propagation characteristics in the fluid to measure the flow rate measuring instruments, and its non-contact measurement, high accuracy and other characteristics in industrial production, medicine, water and other fields have a wide range of applications. This design uses the principle of transit-time ultrasonic flowmeter, ultrasonic flowmeter for measurement accuracy easily affected by temperature problems using the improved algorithm to avoid the effect of temperature on the measurement accuracy. Design system selected some basic circuit design of the following circuits: ultrasonic transmitter circuit ultrasonic receiver circuit, LED display circuit, master-slave microcontroller circuit, power circuit and a memory circuit, successfully realized its measurement and accessibility of instantaneous flow, Overall, this design ultrasonic flowmeter has high accuracy, wide measuring range, easy installation, simple test operation. In addition, this ultrasonic flowmeter design suitable for pipes and open channel flow measurement, suitable for measuring fluid: water or other impurities, less liquid, open channel diameter or width: 0.3 ~ 20m, flow rate: 0.1 ~ 12m / s.[Key words]:Ultrasonic flowmeter; single chip microcomputer; time difference method;目录1引言 (4)1.1选题的目的及研究意义 (4)1.2国内外研究现状 (4)1.3论文研究的主要内容 (5)2 设计方案及工作原理 (7)2.1方案一 (7)2.1.1多普勒超声波流量计 (7)2.2方案二 (8)2.1.2 传统时差法 (8)2.1.3 改进时差法的原理和优点 (9)2.3方案确定 (9)3 时差法超声波流量计的总体设计 (10)3.1超声波换能器的结构及原理 (10)3.2超声波换能器安装方式简介 (10)3.3时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素 (11)4 时差法超声波流量计的硬件电路设计 (14)4.1整体硬件系统设计框图 (14)4.2超声波发射电路设计 (14)4.3超声波接收电路设计 (15)4.4超声波顺逆流发射和接收控制电路设计 (17)4.5计数电路的设计 (17)4.6LCD12864显示电路设计 (18)4.7参数输入电路设计 (19)4.8主从单片机之间的电路设计 (20)4.8.1 单片机的选择 (20)4.9电源电路 (21)4.10存储电路 (22)5 系统软件设计 (24)5.1主单片机软件设计 (24)5.2从单片机程序设计 (24)5.3主从单片机之间总体设计 (25)5.4INT0中断服务子程序设计 (26)5.5键盘子程序 (26)5.5.1键盘扫描主程序流程图 (26)5.5.2按键预处理子程序流程图： (27)5.5.3 键值处理子程序流程图 (28)5.6超声波换能器收发射电路控制子程序设计 (29)6 系统误差分析 (31)6.1数据结果 (31)6.2误差产生因素 (31)6.2.1 管径 (31)6.2.2 声束进入流体介质的折射角 (31)6.2.3 传播延时 (31)6.2.4 流体的纯净度 (32)6.2.5 系统硬件的性能 (32)7 系统软件的仿真和调试 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附件一：电路图 (36)附件二：主单片机程序 (37)1引言1.1 选题的目的及研究意义由于目前国内还有大部分的液体流量计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。
超声波多普勒流量计的设计
ｇｒｅａｔｌｙ ｕｐｇｒａｄｅｄ．Ｔｈ ｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＤＤＳ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈａｒｄｗａ ｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ— ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎ ａｌ ｗａｓ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｄ １０ ｋＨｚ ｕｓｉｎｇ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔ ｈｅ ｓｔａ ｂ ｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ。Ｆ兀 １ Ｗａ ｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ａｎａｌｙｚｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ｆｒｏｍ ＳＴＭ３２Ｆ４，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆ ｌｏｗ ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍａｔｌａ ｂ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔ Ｏ ａｎａｌｙｚｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｏ ｇｅｔ ｉｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ；Ｄｏｐｐｌｅｒ；Ｆ ；ＤＤＳ
因此根据对接收到 的超声波信号进 行分析计算 ，就 可以得 到流 有相对运动时 。观测 者接 收到 的频 率和 声源发 出的频率 是不
一种时差法超声波流量测量系统设计
靠 且精度可 以达 到２ 。 ％ 关键词 ： 超声波 ；流量测量 ；Ｄ Ｐ Ｓ ；时差法
中图分 类号：Ｔ ２ 文献标识码 ：Ａ 文 章编 号：１ ７ －７ ９ ２ １ ）１ １ ０ ５ ０ Ｐ ６ １ ５ ７（ ０ ０ ０ ０ ５ － １
Ｏ 引 言
Байду номын сангаас
超声 波 流量计 具 有非 接触 测量 、 测量 范 围宽 、适合 大管 径 测量 、便 携
【 高科技产品研发 】 § 警一
Ｖ器ＥＬ ＡＬＪ Ｌ Ｙ Ｎ ＿
一
种 时差 法 超 声 波 流 量 测 量 系 统设 计
陈 磊 （ 电子科 技大学 自动化工程学院 四川
成都 ６１３ ） １７ １
摘
要 ： 结合 时差法超声波 流量测量原 理，提 出一 种基－ Ｄ Ｐ Ｔ Ｓ 的超声波 流量测量 系统。介绍 时差法流量测量 原理、系统 的硬 件构成及软件 设计 。本系统 稳定可 ＇
Ｄｉ ｉ ｎｅ ｓ
ｔ ＝— ｌ
—
图３ 测控 模块 框 图 ３系 统的 软件 设计
软件 流程 如 图４ 示 。 所
ｃ＋ｖｓ ｉ ｎ８
超 声波 逆流 时 的传播 时 间为
Ｄ ｜ｉ ｓ ｎ８
ｔ ＝— ２
—
ｃ － ｖｃ ｓ ｏ Ｏ
开始 测量 前先 设 置好 两个 超 声波 传感 器 使其 具 有一 发 一 收 的状态 ，并正 确 设置 多 路
时差 法测量 的 基本 原理 如 图ｌ 示 。 所 收发传感＿ 器
ｌ ｌ
ｌ Ｉ Ｉ
Ｊ
图２ 硬件 设 计总体 示 意图
图 １ 时差 法测量 原 理 图 假 设 流体 的流 速 为ｖ声 速 为Ｃ ， ，管 道 的直径 为Ｄ ，管 道与超 声 波传 播方
超声波明渠流量计系统的设计方案
超声波明渠流量计系统的设计方案超声波明渠流量计是一种非接触式的流量计，用于测量明渠或河流中的水流速和水流量。
其工作原理是利用超声波传感器测量水流中的声速，并根据声速和水流截面积计算水流速和水流量。
下面是一个超声波明渠流量计系统的设计方案。
1.系统硬件设计-超声波传感器：选择合适的超声波传感器，通常使用多普勒效应测量声速。
-控制器：选择合适的控制器，用于接收超声波传感器的信号并进行数据处理和计算。
-显示器：选择合适的显示器，用于显示水流速和水流量的实时数据。
-电源：选择合适的电源，保证系统的正常供电。
-机械支架：设计合适的机械支架，用于安装超声波传感器，使其与水流平行。
2.系统软件设计-数据采集：编写程序，使控制器能够实时采集超声波传感器的信号数据。
-数据处理：设计合适的算法，对采集到的数据进行处理，计算出水流速和水流量。
-数据显示：编写程序，使得显示器能够实时显示水流速和水流量的计算结果。
3.系统校准和调试-校准过程中，需要进行已知流量下的实验，并记录传感器的输出值，根据实验数据进行校准曲线的拟合。
-在实际场景中，需要调试传感器的位置，确保其与水流的垂直距离和与水流的水平距离符合要求，以获得准确的测量结果。
4.系统安装和维护-安装时，应选择合适的位置安装超声波传感器，避免靠近水面或水流中的障碍物。
-定期检查和维护超声波传感器，清除传感器表面的污垢，以确保其正常工作。
-定期校准超声波传感器，以确保测量结果的准确性。
5.系统应用和优点-超声波明渠流量计适用于各种水流场合，如灌溉、水力发电等。
-超声波明渠流量计非接触式测量，不会对水流产生干扰和阻力。
-超声波明渠流量计测量结果准确，可实现实时监测。
-超声波明渠流量计结构简单、安装方便、维护成本低。
综上所述，超声波明渠流量计系统的设计方案包括硬件设计、软件设计、校准和调试、安装和维护等方面。
该系统具有广泛的应用领域和许多优点，可以提供准确的水流速和水流量测量结果。
基于超声波传感器的水流量计的设计学士学位论文
摘要目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。
本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。
本设计的主要工作有两个方面：一是硬件设计，二是软件设计。
硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。
结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。
同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。
采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。
在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。
为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。
关键词：时差式超声波流量计；低功耗；精度；MSPAbstractAt present, most household water flow meters in our country is Mechanical rotor-type, but this type of water meters low accuracy existing shortcomings. This paper introduces a design of ultrasonic technology based on suitable for household water flow meter, with high precision, simple operation, low cost, etc. This design main job has two aspects: one is the hardware design, and the second is the design of software. Hardware design systems use the high precision time-interval measurement chip TDC for measuring time-GP2, and control the firing pulse, with low power consumption of MSP430F427 single chip microcomputer as the core of the system to control and calculation processing. Combining ultrasound flow meter threshold is model and the ultrasonic signal zero from its voltage amplitude change the advantages of influence, and puts forward the zero threshold is model, threshold model can effectively remove is receiving receivers ultrasonic signal to the disturbance signal before, and with the ultrasonic zero voltage amplitude variation and change, combined with the advantages of both static time difference can effectively restrain the scope of the big changes. At the same time the pulse counts circuit design, eliminate some of the interference. GP2 use internal propagation delays of signals through gates to measure propagation time of system. The GP2 through the chip, and traditional high-speed counter, it is characterized by high precision, and can be in 1 MHz frequency complete circuit, to avoid the interference of high frequency circuit complex problems, effectively improve the flow meter measurement accuracy and stability. In the design software, to improve the time the measurement precision, eliminate interference, set up effective time interval, invalid time and reducing the effects of theinterference. To reduce power consumption, intermittent shut off the power amplifier, save the battery power, extended the replacement battery cycle.Keywords: ultrasonic flow-meter with time difference method; low power; measurement precision; MSP430毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
基于STM32的超声波流量计硬件系统的设计
㊀２０１８年㊀第４期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．４㊀收稿日期：２０１７－０８－２３基于ＳＴＭ３２的超声波流量计硬件系统的设计贾彦茹１，张连堂２（１．信阳学院数学与信息学院，河南信阳㊀４６４０００㊀２．河南大学计算机与信息工程学院，河南开封㊀４７５００１）㊀㊀摘要：针对传统流量计在测量流体流速时存在安装繁琐㊁运输复杂等问题，设计了新型的基于多普勒法的超声波流量计㊂该系统以ＳＴＭ３２为开发平台，主要设计了超声波发射电路㊁超声波接收电路㊁功率放大电路㊁回波信号处理及滤波电路㊁ＳＴＭ３２最小系统及其外围电路等㊂为方便频移信号处理，提出了把回波信号解调到中频带２０ｋＨｚ上，这样提高了系统在低流速测量的精确度㊂采用ＦＦＴ算法对系统采集的频移信号进行频谱分析，最终根据计算的频移值来确定流体的流速㊂实际结果表明，该系统尤其适用于大管径流量测量且测量精确度较高，误差在５％之内，具有安装㊁运输便捷等一系列优点㊂关键词：超声波；多普勒；ＳＴＭ３２；ＦＦＴ中图分类号：ＴＰ９３４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０４－００９２－０３ＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＦｌｏｗｍｅｔｅｒＨａｒｄｗａｒｅＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ＪＩＡＹａｎ⁃ｒｕ１，ＺＨＡＮＧＬｉａｎ⁃ｔａｎｇ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＸｉｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｙａｎｇ４６４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ４７５００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｗｔｙｐｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｌｏｗｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＤｏｐｐｌｅｒｍｅｔｈｏｄｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｌｏｗｍｅｔｅｒｈａｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｆｌｕｉｄｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄＳＴＭ３２ａｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍ，ｍａｉｎｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｃｈｏｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＳＴＭ３２ｍｉｎｉｍｕｍｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ⁃ｓｈｉｆｔｅｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｔｈｅｅｃｈｏｓｉｇｎａｌｔｏｔｈｅｍｉｄｄｌｅｂａｎｄ２０ｋＨｚ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｌｏｗｆｌｏｗｒａｔｅｍｅａｓ⁃ｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ．ＴｈｅＦＦＴａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔｓｉｇｎａｌｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔｖａｌｕｅ．Ｔｈｅａｃｔｕａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｈｉｇｈ，ｔｈｅｅｒｒｏｒｉｓｗｉｔｈｉｎ５％，ｗｉｔｈｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓ⁃ｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄａｓｅｒｉｅｓｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；Ｄｏｐｐｌｅｒ；ＳＴＭ３２；ＦＦＴ０㊀引言超声波是指振动频率高于２０ｋＨｚ的机械振动，其指向性好㊁能量集中㊁穿透能力强，同时具有光的反射㊁折射等一系列优点㊂超声波流量计就是利用超声波的这一特性来测量流体流量的，当超声波信号在流体中流动时，经流体中的固体粒子或反射颗粒反射后将会产生多普勒频移，对此频移信号的采集和计算，就可以得到此管道截面积的平均流量［１］㊂１㊀测量原理超声波多普勒流量计以多普勒效应为基础㊂在声学中，当声源和观察者相对于媒质运动，或两者同时相对于媒质运动时，观察者接收到的频率与声源发出的频率不同，这两个频率的差值称为多普勒频移，它的大小与两者相对运动速度的大小成正比，这种现象称为多普勒效应［２］㊂在利用超声波多普勒法测量时，超声波传感器的激励方式主要有２种：单载频脉冲激励㊁连续方波激励㊂本文采用的是连续方波激励法，如图１所示，一对超声波换能器成４５ʎ角对称安装在管道壁上，超声波发射探头连续发射超声波信号，经管壁进入流体中，经流体中固体颗粒或悬浮气泡反射后进入超声接收探头，通过测量流体中固体粒子或悬浮气泡的多普勒频移来完成流体流量的检测［３－４］㊂超声波在被测流体中的速度为ｃ，被测流体中固体颗粒或悬浮气泡的流速为ｖ，超声波发射的频率为ｆ１，超声波接收环能器接收到的频率为ｆ２，超声波与流体流速方向夹角θ㊂则多普勒频移与流速之间的关系为㊀㊀㊀㊀㊀第４期贾彦茹等：基于ＳＴＭ３２的超声波流量计硬件系统的设计９３㊀㊀图１㊀超声波多普勒流量计测量模型Δｆ＝２ｖｆ０ｃｏｓθｃ（１）被测管道流体流速为ｖ＝Δｆｃ２ｆ０ｃｏｓθ（２）２㊀超声波多普勒流量计整体硬件的设计超声波多普勒流量计硬件测量系统包括超声波发射电路㊁超声波接收电路㊁功率放大电路㊁回波信号处理及滤波电路㊁中频解调电路㊂本文采用一对中心频率为４００ｋＨｚ的超声波换能器分别作为超声波发射和接收探头，如图２所示，利用４００ｋＨｚ的连续方波信号激励超声波发射探头发射超声波，超声波信号被流体中的固体颗粒发射后进入超声波接收换能器，最后把经过处理的频移信号通过ＲＳ４８５通讯的方式发送到上位机中进行频谱分析㊂图２㊀超声波多普勒流量计系统框图硬件系统采用ＳＴＭ３２Ｆ４２９作为核心控制器［５］，它是以Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４为内核，具有２ＭＢ的Ｆｌａｓｈ，２５６ＫＢ的ＳＲＡＭ以及丰富的Ｉ／Ｏ口资源，主频高达１８０ＭＨｚ，这使得该控制器非常适合本系统对多普勒频移信号的采集㊂２．１㊀超声波发射电路由于接收的超声波信号的质量取决于超声波发射信号的质量，要保证发射信号的强度必须提高发射信号的功率㊂系统中，利用ＳＴＭ３２Ｆ４２９自身的Ｄ／Ａ和定时器产生２路方波信号，一路４００ｋＨｚ的方波信号进行功率放大后去激励超声波发射探头，变压器主要是用来提升电压以及和超声波换能器阻抗匹配；另一路３８０ｋＨｚ用于中频解调电路的参考信号，如图３所示，此电路设计简单㊁性能可靠［６］㊂图３㊀超声波发射电路２．２㊀超声波接收电路接收的超声波回波信号非常小，一般为几十ｍＶ㊂如果直接对接收的回波信号进行分析将会有很大的误差且分析难度很大，因此我们需要对接收的回波信号进行多级放大后再进行中频解调㊂当把回波信号放大后，信号中的干扰信号也一同被放大了，因此在放大回波信号后还要加一级带通滤波器滤除干扰信号，带通滤波器的中心频率设计为４００ｋＨｚ，如图４所示㊂图４㊀超声波接收电路２．３㊀中频解调电路中频解调电路是把超声波接收换能器接收的超声波信号与３８０ｋＨｚ的参考信号进行混频，混频后ＡＤ７３４中包含２个频率，一个为两者频率之和，另一个为两者频率之差㊂混频后的输出接３０ｋＨｚ低通滤波器滤除高频信号后，把多普勒频移信号解调到２０ｋＨｚ的频谱上，最后利用ＳＴＭ３２Ｆ２４９自身的Ａ／Ｄ采集多普勒频移信号［７］，把采集的频移信号通过ＲＳ４８５通讯的方式发送到上位机进行频谱分析，计算出流体流量信息，如图５所示㊂３㊀软件设计系统软件设计主要包括ＳＴＭ３２Ｆ４２９最小系统初始化程序㊁定时器初始化程序㊁Ｄ／Ａ初始化程序㊁Ａ／Ｄ采集初始化程序㊂系统上电时，首先执行系统复位操作，其次利用ＳＴＭ３２Ｆ４２９的Ｄ／Ａ和定时器产生２路㊀㊀㊀㊀㊀９４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０１８㊀图５㊀中频解调电路方波信号，然后再利用ＳＴＭ３２Ｆ４２９的Ａ／Ｄ采集功能采集多普勒频移信号，最后通过ＲＳ４８５通讯的方式把采集的多普勒频移信息发送到上位机分析㊂４㊀试验数据分析把超声波多普勒流量计硬件测量系统安装到管道壁上，当管道中流体流动时，启动超声波多普勒流量计测量系统采集数据并把采集的数据通过ＲＳ４８５通讯方式发送到上位机，这里取采集的１０２４个点数据进行分析，数据如图６所示，如果直接对１０２４个数据进行分析是很困难的，因为这些数据中带有一些噪声信号，无法分辨出真实的频率㊂因此需要对这些数据进行快速傅里叶变换，把它从时域转换到频域，这样就可以分辨出频率值，得到多普勒偏移值［８－９］㊂图６㊀采样１０２４个点的多普勒频移信号当管道中流体流速改变时，通过对比测量得到的流速和已知流速的关系，就可以知道该系统测量的大概误差范围，表１为测量流速与实际流速的对比，可以算出几组数据的平均误差约为５％，本文设计的超声波多普勒流量计硬件测量系统的误差范围控制在５％之内，具有一定的可靠用和通用性㊂表１㊀实际流速与测量流速对比ｍ／ｓ本文设计了一种超声波多普勒流量计硬件测量系统，该系统具有通用性好㊁测量时不破坏被测流体流场㊁不与被测流体直接接触㊁安装维护方便等一系列优点㊂本系统把多普勒频移信息发送到上位机进行离线处理，后续可以对系统继续优化，选用专用的数字信号处理芯片ＤＳＰ，在系统内部完成频移信号的分析㊁处理㊁计算，从而直接得到流体的流速信息，进一步提高测量的精度㊂参考文献：［１］㊀梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．［２］㊀张秀梅．多普勒效应公式的一种新的推导方法［Ｊ］．锦州医学院学报，２００１（４）：７０－７１．［３］㊀林书玉．超声换能器的原理及设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４．［４］㊀罗守南．基于超声多普勒方法的管道流量测量研究［Ｄ］．北京：清华大学，２００４．［５］㊀刘军．例说ＳＴＭ３２［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０１２．［６］㊀涂晓立，杨道业，陈静．超声波多普勒流量计的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（３）：４１－４３．［７］㊀赵光宙，舒勤．信号分析与处理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．［８］㊀高志国．基于ＲＳ－４８５总线信号的可靠性研究［Ｊ］．石油化工自动化，２０１１（２）：１１９－１２２．［９］㊀楼顺天．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计 信号处理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９９．作者简介：贾彦茹（１９８１ ），硕士，讲师，研究方向为数字图像处理㊂张连堂（１９５７ ），教授，研究方向为软件工程㊂（上接第９１页）［８］㊀魏泽鼎，郝琳，郑惠萍．基于单片机的荧光寿命法温度测量仪的研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１０（４）：２６－２７．［９］㊀贾丹平，高鹏，伞宏力．荧光余辉测温法中的数据处理［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００６，２８（５）：５４２－５４５．［１０］㊀孙伟民，张建中，于蕾，等．荧光寿命的快速傅里叶变换拟合方法［Ｊ］．光学学报，２００４，２４（６）：８３８－８４１．作者简介：贾丹平（１９６８ ），副教授，博士，主要研究领域为光电检测技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｉｎｎｅｒｊｉａ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ王岩（１９９１ ），硕士研究生，主要研究领域为光电检测技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：８１１６４５４９６＠ｑｑ．ｃｏｍ。
超声波流量计设计
学号：14111501202 湖南理工学院毕业论文题目：超声波流量计的设计作者：刘阳届别：2011级院别：机械工程学院专业：机械电子工程指导老师：周红波职称：讲师完成时间: 2015.5.10摘要超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。
凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多不完善的地方，比如成本较高、精度不够等，有必要对其加以改进和提高。
本设计与传统的机械式流量仪表不同，它具有机械式仪表所不具备的优点，而且因其采用高精度时间测量芯片TDC-GP2进行时间测量，保证了测量的精度。
本设计采用时差法原理进行测量流体流速，进而计算出瞬时流量。
论文从流量计的发展历史和背景到超声波流量计的原理、特点以及国内外发展概况，详细地介绍了超声波流量计。
另外，论文又详细研究了时差法超声波流量计的理论知识，并在理论基础上研究了超声波流量计的硬件电路与软件部分，其中所用的高精度时间测量芯片TDC-GP2以及单片机STC89C58RD+是本设计的核心部分。
本设计成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，有较广阔的研究前景。
绪论1.1流量计的发展历史与现状概述数千年前，人们为了适应水利和农业灌溉的需要，就已经开始关注流量测量的问题。
流量测量作为人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它不仅广泛用于农业和水利，也广泛用于化工、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。
最早的流量测量发生在公元前1000年，古埃及人通过对尼罗河流量的测量来预计当年收成的好坏，古罗马人利用孔板测量的方法在修建引水渠时进行流量测量。
而到目前为止，流量计的发展也有了几百年的时间，早在1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人郝谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。
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超声波流量计系统的设计樊伟佳（陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业,2012级1班，陕西汉中 723004）指导教师：秦伟[摘要]超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表，并且以其非接触式的测量、高精度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。
本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。
设计系统时选择了一些基本电路设计了以下电路：超声波发射电路，超声波接收电路，LED显示电路，主从单片机电路，电源电路以及存储电路等，成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特点。
另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。
[关键词]超声波流量计；单片机；时差法；The Design of Ultrasonic Flow Meter SystemFan Weijia(Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Qin Wei[Abstract]: Ultrasonic flowmeter is the use of ultrasonic wave propagation characteristics in the fluid to measure the flow rate measuring instruments, and its non-contact measurement, high accuracy and other characteristics in industrial production, medicine, water and other fields have a wide range of applications. This design uses the principle of transit-time ultrasonic flowmeter, ultrasonic flowmeter for measurement accuracy easily affected by temperature problems using the improved algorithm to avoid the effect of temperature on the measurement accuracy. Design system selected some basic circuit design of the following circuits: ultrasonic transmitter circuit ultrasonic receiver circuit, LED display circuit, master-slave microcontroller circuit, power circuit and a memory circuit, successfully realized its measurement and accessibility of instantaneous flow, Overall, this design ultrasonic flowmeter has high accuracy, wide measuring range, easy installation, simple test operation. In addition, this ultrasonic flowmeter design suitable for pipes and open channel flow measurement, suitable for measuring fluid: water or other impurities, less liquid, open channel diameter or width: 0.3 ~ 20m, flow rate: 0.1 ~ 12m / s.[Key words]:Ultrasonic flowmeter; single chip microcomputer; time difference method;目录1引言 (4)1.1选题的目的及研究意义 (4)1.2国内外研究现状 (4)1.3论文研究的主要内容 (5)2 设计方案及工作原理 (7)2.1方案一 (7)2.1.1多普勒超声波流量计 (7)2.2方案二 (8)2.1.2 传统时差法 (8)2.1.3 改进时差法的原理和优点 (9)2.3方案确定 (9)3 时差法超声波流量计的总体设计 (10)3.1超声波换能器的结构及原理 (10)3.2超声波换能器安装方式简介 (10)3.3时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素 (11)4 时差法超声波流量计的硬件电路设计 (14)4.1整体硬件系统设计框图 (14)4.2超声波发射电路设计 (14)4.3超声波接收电路设计 (15)4.4超声波顺逆流发射和接收控制电路设计 (17)4.5计数电路的设计 (17)4.6LCD12864显示电路设计 (18)4.7参数输入电路设计 (19)4.8主从单片机之间的电路设计 (20)4.8.1 单片机的选择 (20)4.9电源电路 (21)4.10存储电路 (22)5 系统软件设计 (24)5.1主单片机软件设计 (24)5.2从单片机程序设计 (24)5.3主从单片机之间总体设计 (25)5.4INT0中断服务子程序设计 (26)5.5键盘子程序 (26)5.5.1键盘扫描主程序流程图 (26)5.5.2按键预处理子程序流程图： (27)5.5.3 键值处理子程序流程图 (28)5.6超声波换能器收发射电路控制子程序设计 (29)6 系统误差分析 (31)6.1数据结果 (31)6.2误差产生因素 (31)6.2.1 管径 (31)6.2.2 声束进入流体介质的折射角 (31)6.2.3 传播延时 (31)6.2.4 流体的纯净度 (32)6.2.5 系统硬件的性能 (32)7 系统软件的仿真和调试 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附件一：电路图 (36)附件二：主单片机程序 (37)1引言1.1 选题的目的及研究意义由于目前国内还有大部分的液体流量计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。
本设计主要通过对超声波在水中的传播特性、超声波传感器工作机理分析设计一种基于超声波测量原理测量流量的仪器，并且针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响，使得本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,测量流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。
超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。
它测量液体的准度很高，基本不受被测量的介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能解决的介质有非导电性、放射性、易燃易爆等的流量测量问题。
众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般的流量计跟着测量管径的增大会带来制造和运输上面的各种困难，造价高、耗能大、不好安装，这些缺点，超声波流量计都可以完全避免。
是因为各种的超声波流量计都可以在管道外安装、不用接触被测物即可测流，仪表的造价与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计都会因为口径的增加，造价也在提高，所以被测管道口径越大，超声波流量计比其它类型流量计的功能价格比越优越。
被大家广泛认可。
另外，超声测量仪表的流量测量准确度基本不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，而且又可制成非接触及便携式测量仪表，所以可解决其它仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
另外，鉴于非接触测量特点，再加上合理的电路，一台仪表可以适应各种管径测量和各种范围的测量。
而且超声波流量计的适应能力也很强。
因为超声波流量计具有上面提到的优点因此它越来越被重视起来并且向商业产品方向发展，现已制成各种各样的，比如：标准型、高温型、防爆型仪表以适应不同情况下的流量测量。
因此，设计一种结构简单、价格低廉的超声波流量计是非常必要的。
1.2 国内外研究现状1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“环鸣”时差法，用于航空燃料油流量的测量。
开启了超声波时代，是测量技术的一大突破。
上世纪七十年中后期，集成电路的飞速发展使得高精度的时间测量成为可能，外加高性能、工作稳定的锁相技术（PPL）的出现和应用，超声波流量计的可靠性能有了基本保证。
20世纪90年代后，新材料工艺的不断涌现，智能化处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展。
天然气工业的发展，更是促进了超声波流量计的使用和推广。
当前全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家，其中处于领先水平的有没美、荷兰、德、加拿大等国家，这些国家的经验、电子技术、工业生产都处于优势。
著名的有美国的Controlotron 、Ploysonics，德国的Krohne，荷兰的Instrormet及日本的横河。
我国在60-70年代，机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北大研究所相继开始研究。
90年代初估计为8000-10000台。
94年正式出版了中国计量科学院，组织有关专家起草，分别经国家技术监督局建设部批准的“JJG”198-94速度试流量计的国家计量检定规程JJG(建设)0002-94超声流量计的部门计量检测规程。