时差法超声波流量计_2006_硕士论文-
时差法超声波流量计的原理和设计
射体 散 射 的 超 声波 多 普勒 频 移 来确 定 流 体 流 量 的 ． 多普 勒 效应 法 需 要流 体 中含 有反 射 物 质 ．适 用 于含 悬 浮 颗 粒 、 气泡 等 两 相 流体
流 量测 量 。 相 关法 是 利 用相 关 技术 测 量 流量 ，原 理 上 ．此法 的测 量 准 确 度 与流 体 中的 声速 无 关 因而 与 流体 温 度 浓 度 等 无 关 ． 因而 测 量 准确 度高 ．适用 范围 广 。但相 关器 材价 格 贵 ．线 路 比较 复杂 。
原 理 、 结 构 和 特 点 ， 设 计 了 具 体 的 实 现 过 程 ， 最 后 给 出 了使 用 时 需 要 注 意 的 事 项 ， 以推 广 和 普 及 超 声 波 流 量
计量技术 。
■臣Ｅ
超声波流量 计；时差法 ；原理 ；设计实现
概 述
流 量 计 包 括 机 械 式 和 非 机 械 式 两 大 类 ．机 械 式 又 分 为旋 翼 式 、螺 翼式 、涡 轮 式等 ．非 机械 式 可 分 为 超声 波 式 、 电磁 式 涡 街 式 等 几类 。机 械 式 流量 计 由 于成 本 较低 得 到 了普遍 应 用 ，但 是 管 路 中 的杂 质 、水垢 容 易 造 成运 行 数 据 不准 ．堵 塞 等现 象 ，虽 然 加 装 滤 网和 磁 性 过 滤器 可 以滤 除较 大 颗粒 杂质 及 磁 性物 质 但 是
体 温 度 变化 带 来 的 误差 ，准确 度 较 高 所 以被 广 泛 采 用 ，本 文 详 细 介绍 时 差法 。
超 声 波流 量 计 主 要用 于 气体 、液 体 、标 准 计 量 等 领 域 有 着 广 泛 的应 用 ，
时差 法 实 际上 是 将 超声 波 传播 速 度 和 液体 流 速 进 行 矢 量叠 加
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
超声波流量计中相关时差法的应用
超声波流量计中相关时差法的应用陆敏恂;朱列铭;周爱国【摘要】介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.%This paper introduced a time-different ultrasonic flow measurement algorithm based on cross correlation theory. The system arranged ultrasonic transducers like the arrangement of the time difference method flowmeters, and collected stationary fluid condition and flowing fluid condition of echo signals in two groups. By calculating the correlation function peak of the two echo signals ,it obtained the time difference,indirectly gained the flow of wind, which can improve the accuracy of the transit time difference accuracy. The application of polarity correlation algorithm can greatly improve the system operation speed and improve performance of real-time property. By using pseudo-random signal as the ultrasonic excitation signal, the algorithm overcomes the shortcomings of small measurement range, and improve the system accuracy. Experiments show that the system is of high precision, and good realtime property.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P105-107)【关键词】超声波;流量计;相关时差法;伪随机信号;极性相关算法;MATLAB【作者】陆敏恂;朱列铭;周爱国【作者单位】同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP2161 相关时差算法原理1.1 相关时差法测量模型相关时差法声路布置位置有多种，如X型，V型等。
时差法超声波流量计的原理和设计
时差法超声波流量计的原理和设计王润田1 引言超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。
和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。
近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。
作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。
本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
2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。
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：24D Q Vdt π=⎰3 时差法超声波流量计的设计图2是我们设计的超声波流量计的原理框图。
图中主要有两个超声波发射单元、一个时间测量单元和一个控制器。
时差法超声波流量计设计与研发
时差法超声波流量计设计与研发一、本文概述随着现代工业和科技的飞速发展，流量测量技术在各种工程和科学研究中扮演着越来越重要的角色。
超声波流量计作为一种非接触式的流量测量设备，因其高精度、宽测量范围和良好的适应性而受到广泛关注。
时差法超声波流量计是其中的一种，它利用超声波在流体中传播的速度差异来测量流量，具有测量准确、安装简便、维护成本低等优点。
本文将对时差法超声波流量计的设计与研发进行详细的探讨，旨在为读者提供全面的技术理解和应用指导。
本文首先介绍时差法超声波流量计的基本原理和工作机制，为后续的设计研发提供理论基础。
接着，详细阐述流量计的设计过程，包括硬件设计、软件设计和系统设计等方面，突出设计的创新性和实用性。
同时，结合实际应用案例，分析流量计的性能表现和优缺点，为进一步优化设计和提升性能提供依据。
在研发方面，本文重点介绍时差法超声波流量计的关键技术突破和创新点，如信号处理算法的优化、传感器技术的改进等。
还将探讨流量计在实际应用中的稳定性和可靠性问题，为产品的市场推广和应用拓展提供支持。
通过本文的研究，旨在推动时差法超声波流量计技术的进一步发展，为流体测量领域的科技进步做出贡献。
也为从事相关研究和应用的技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、时差法超声波流量计的基本原理时差法超声波流量计是一种基于超声波在流体中传播速度受流体流速影响原理的流量测量仪表。
其基本原理是利用超声波在流体中顺流和逆流传播时，因流体流速的存在而产生的传播时间差来推算流体的流量。
在时差法超声波流量计中，一般设有一对或两对超声波换能器，它们分别被安装在被测流体管道的两侧，或者对称安装在管道的同一侧。
一对换能器中的一个作为发射器，另一个作为接收器，它们之间的超声波传播路径与流体流动方向平行。
当流体静止时，超声波从发射器传播到接收器的时间是一个固定值。
但当流体流动时，超声波的传播路径会受到流体流速的影响，导致传播时间发生变化。
具体来说，当超声波顺流传播时，由于流体的推动作用，超声波的传播速度会加快，因此传播时间会变短；而当超声波逆流传播时，由于流体的阻碍作用，超声波的传播速度会减慢，因此传播时间会变长。
基于时差法和tdc-gp2的超声波流量测量方法
基于时差法和tdc-gp2的超声波流量测量方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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时差法超声波流量计的工作原理
时差法超声波流量计的工作原理Ultrasonic flow meters are widely used in various industrial applications to measure the flow rate of liquids. 时差法超声波流量计是一种常用的流量测量工具，它被广泛应用在各种工业领域。
The principle of operation of a transit-time ultrasonic flow meter is based on the measurement of the time it takes for an ultrasonic signal to travel a known distance with the flow of the liquid and against the flow of the liquid. 时差法超声波流量计的工作原理是基于测量超声信号在已知距离内通过流体的时间和逆流体的时间。
When the ultrasonic signal is sent in the direction of the flow, it moves faster as it is carried by the flow of the liquid, and when sent against the flow, it moves slower. 当超声信号沿着流向传播时，它会随着流体的运动而加速传播；当超声信号逆流传播时，传播速度会减慢。
By comparing the time it takes for the ultrasonic signal to travel in both directions, the flow meter can calculate the velocity of the liquid and, using the cross-sectional area of the pipe, determine the flowrate. 通过比较超声信号在两个方向传播所花费的时间，流量计可以计算出流体的速度，并利用管道的横截面积来确定流量。
北京科技大学科技成果——时差法超声波流量计
北京科技大学科技成果——时差法超声波流量计
项目简介
超声波流量计采用先进的“时差法”测量原理对管道中纯净液体（<10%）的流动方向和实际流量进行精确测量。
利用超声波脉冲在通过液体顺逆两方向上传播速度之差，来求圆管内液体的流量。
这种测量只需要管道外壁进行测试，因此不影响管道的正常运行。
使用这种仪器，只需输入管道参数（外径、壁厚、管材及液体温度等），就可测出流速、流量及累积流量。
技术水平
目前国内外超声波流量计研制的厂家有4-5家，但是其技术水平与国外相比，在探头设计上，还差别较大，表现在测量信号不稳定，以及处理复杂回波信号时，对波形的分析不够透彻，因此该类仪器在强干扰和大量程的场合，几乎还是进口产品的天下，我们设计的全系列超声波产品，其探头设计技术水平上，已接近国外同类产品的水平，在工业现场经过了多次的改进后，产品已经成熟。
并在多处工业现场得到了实际的应用，我们独有的超声波回波处理系统在处理工业现场复杂回波方面，有长期的经验。
性能指标
时差法超声波流量测量系统采用单片机设计，具有4-20mA电流输出。
四位数字显示，可显示瞬时流量和累计流量。
具有模拟量、数字量输出。
应用范围
时差法超声波流量测量系统为非接触式流量计，对多种流体的测量。
可广泛应用在冶金、煤炭、电力、石油、化工、粮食等部门。
可按照用户要求提供多种优质超声波探头。
经济效益分析
单台仪表平均成本在4000元左右，而国外同类产品售价均价在20000元左右。
设备投资包括水电等估计在30-50万。
时差法超声波流量计资料
时差法超声波流量计1 引言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。
随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。
2 超声波流量计分类根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。
2.1 多普勒法多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。
其工作原理如图1所示。
图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。
根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为：)sin 21()sin 1()sin 1(02012Cu f C u f C u f f βββ-≈-=-= (1)βsin 2)(020f Cf f u -=(2)多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。
2.2 波束偏移法波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。
其测量原理如图2所示。
图2 波束偏移法原理图Fig.2 Theory of beam-excursion approach流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。
波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。
3 时差法原理3.1 时差法时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。
基于时差法的超声波流量计在矿井中的应用
２０２３ ０７／基于时差法的超声波流量计在矿井中的应用张玉斌１ 王碧霞２ 王稳稳３ 王虎厅４ 武永刚５ 王 涛６（１ 甘肃煤炭第一工程有限责任公司 ２ 国网昌吉供电公司 ３ 甘肃电器科学研究院 ４ 靖煤集团魏家地煤矿 ５国网昌吉供电公司 ６ 国网新疆电力有限公司哈密供电公司）摘 要：本文基于时差法，以超声波流量计为研究对象，通过仿真与理论相结合的方式，研究矿井中的超声波流量计在流体中的测量特性。
超声波流量计通过超声波在流体中顺流与逆流传播的时间之差求出超声波的传播速度，实现流体流量的测量。
本文采用ＣＯＭＳＯＬ多物理场仿真，建立管道模型，定义管道流场内的各项参数，利用求解器计算，通过仿真可以得到管道流体中的声压随时间的变化情况，从而分析超声波在流体中的传播特性，本文研究结果可为后期矿井超声波流量计的研究提供一定的参考价值。
关键词：超声波流量计；多物理场仿真；时差法；测量特性０ 引言近年来，随着电子技术的发展，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛的应用［１ ２］。
超声波流量计用于测量流动流体的流量，为了减少污染、节水减排，必须对生活用水、工业用水、循环水以及排放的污水进行严格的计量和控制，在煤矿开采过程中，该流量计主要用于电力、石油、化工及矿井排水系统中［３］。
目前使用的超声波流量计主要有多普勒式超声波流量计、便携式超声波流量计、时差式超声波流量计、管道式超声波流量计等［４ ５］。
因时差式超声波流量计应用效果良好，流量计量较为准确，因此应用最为广泛［６ ７］。
本文使用时差式超声波流量计监测矿井排水系统的流量，通过监测矿井水流入量、澄清水流出量和污泥流出量三个流量指标［８ １４］，分析矿井水的出水能力和经济效益。
矿井水由井下排水泵提升至预沉调节池，自流进入吸水井，对进入吸水井中的矿井水排水流量进行实时监测能够得知井下工作状态，对煤矿安全生产具有重要意义［１５ １７］。
本文基于上述研究现状，采用仿真和理论相结合的方式，研究超声波流量计的测量原理，使用ＣＯＭＳＯＬ多物理场仿真超声波流量计的超声波在不同时间的传播情况。
采用传播时间法的时差式超声流量计设计
采用传播时间法的时差式超声流量计设计
超声流量计
超声流量计是通过检测流体流动对超声束或超声脉冲的作用来测量流量的仪表。
对封闭管道用超声流量计来说，按其测量原理可分为传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法等。
本文采用传播时间法。
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，称为传播时间差法。
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，又可以分为时差法、相位差法和频差法。
时差式流量计工作模型如
以换能器T1为例。
声波由A到B再传到C，在这一段传播过程中，因为没有流体参与，传播时间是固定不变的。
在这里，把声波在换能器填料、管壁中传播时间记为t延。
在寻找正程与逆程之间的时间差时，不必考虑t延，只考虑在液体中传播的正程、逆程的传播时间差就可以了。
这里，设D为输液导管内径;d为壁厚;V流为液体流动速度;V介为液体的声速;θ3为折射角;t正为声波由T1到T2的传播时间;t逆为声波由T2 到T1的传播时间。
用声学模型可得如下公式：
由上述推导可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液体流速V就可以算出。
时差法与频差法和相位差法之间原理方程式的基本关系为：。
时差法超声波流量计设计毕业论文
时差法超声波流量计设计毕业论文第一章绪论1.1 流量计的发展概述自古以来测量都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。
早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。
1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为依据，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年发表了研究成果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置；1911~1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展。
第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
目前国外投入使用的流量计有100多种，国定型投产的也有近50种。
随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。
但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。
我国开展近代流量测量的技术比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、电磁流量计的生产。
时差法超声波流量计论文
南开大学滨海学院本科生毕业论文中文题目：超声波流量计的设计英文题目：The design of ultrasonic flowmeter学号： *********名：***年级： 2008级专业：电子信息科学与技术系别：电子科学系指导教师：***完成日期： 2012年5月南开大学滨海学院毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，题目《超声波流量计的设计》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明的法律结果。
毕业论文作者签名：郑尚博2012年5月2日超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。
意义是使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。
此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。
基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：①超声波时差法测流量原理研究，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；②超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；③设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；④设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；⑤以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。
关键词：超声波流量计；时差法；传播时间Ultrasonic flowmeter is through the test fluid flow of the ultrasonic bunch of (or ultrasonic pulse) role to measure flow of meter, the purpose is to solve some difficult problems of measurement. Meaning is that flow meters will be able to adapt the industrial field environment, more convenient, economy, measurement accuracy, and itself does not damage easily, low power consumption, high reliability. Such products for the domestic and international advanced level, and can be widely used in petroleum, chemical industry, metallurgy, electric power, water supply and drainage, etc.Based on the difficulty and practical reasons, this thesis chooses spread the method of time difference for research subject, the comprehensive absorbs the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, and on the basis of the following some main work completed:(1) Ultrasonic approach to measure time flow theory research, this paper ultrasonic flowmeter measurement accuracy easy effected by temperature problems, using the improved algorithm avoids the influence of temperature on measuring accuracy;(2) The ultrasound in fluid in the analysis of the propagation characteristics of ultrasonic flowmeter, fluid mechanics analysis and flow correction;(3) Design system control measurement circuits, including ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, signal plastic circuit and control circuit system, and based on the instrument itself actual conditions and the environmental research suitable for hardware anti-interference technology;(4) The appropriate design of computer software to the instrument to control and the data processing operations, taking suitable on software anti-interference measures, further strengthen the operation stability of the instrument;(5) The time difference in ultrasonic testing experiment for the whole experiment research focus, in view of the existing conditions of the experimental and the experimental data and results.Key words: Ultrasonic Flowmeter；Time Difference Method；Travel Time摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 国内外发展现状及应用 (1)1.3 本文主要研究内容 (2)第二章时差法超声波流量计概述 (3)2.1 流量的基本概念 (3)2.2 超声波技术概述 (3)2.3 时差法超声波流量计的基本原理 (5)第三章时差法超声波流量计系统原理 (7)3.1 系统的构成和原理 (7)3.2 结构框图 (8)第四章时差法超声波流量计硬件设计 (10)4.1 超声波发射/接收电路 (10)4.2 采样保持电路 (11)4.3 电压比较电路 (11)4.4切换控制电路 (12)4.5 信号采集及控制电路 (13)4.6 信号处理及人机接口电路 (14)第五章时差法超声波流量计的软件设计 (19)5.1 主单片机软件设计 (19)5.2 从单片机部分软件设计 (20)5.3 单片机软件抗干扰措施 (21)第六章系统误差分析及实验结果 (22)6.1 系统误差分析 (22)6.2 实验研究 (22)附录 (25)参考文献 (27)致谢 (28)第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景自古以来流量测量都是人类文明一种标志，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[1]。
时差法超声波流量计设计与研发
时差法超声波流量计设计与研发随着工业技术的不断发展，流量测量在生产实践和科学研究中变得越来越重要。
流量计量的准确性直接影响到生产效率、产品质量和能源消耗等方面。
因此，选择合适的流量计和流量测量方法对于工业生产具有重要意义。
本文将介绍一种高精度、非接触式的流量计量方法——时差法超声波流量计。
这种流量计具有适用范围广、测量准确、稳定性好等优点，在许多领域都有广泛的应用。
时差法超声波流量计是一种利用声波在流体中传播时产生的时间差来测量流速的流量计。
本次实验旨在设计与研发一种高精度、低成本的时差法超声波流量计，以解决实际应用中存在的精度低、稳定性差等问题。
实验装置包括超声波发射器、超声波接收器、信号处理电路、数据采集系统和计算机控制系统。
超声波发射器与接收器之间距离为L，流体流速为v，超声波在流体中传播的时间为t1和t2（t1>t2）。
（1）将超声波发射器与接收器固定在管路上，确保两者之间距离为L；（2）开启超声波发射器，并使用信号处理电路将电信号转换为超声波信号；（3）在超声波信号到达接收器后，通过信号处理电路将超声波信号转换为电信号；（4）使用数据采集系统记录t1和t2；（5）根据公式v=L/(t1-t2)计算流速；（6）通过计算机控制系统实现实时数据采集与处理。
通过实验，我们成功设计并研发了一种高精度、低成本的时差法超声波流量计。
实验结果表明，该流量计在测量不同介质时均具有较高的测量精度和稳定性。
具体实验数据如下表所示：通过实验数据，我们发现该时差法超声波流量计具有较高的测量精度和稳定性。
误差较小，大多在±5%以内。
这主要得益于以下因素：高精度计时系统：本实验采用高精度计时系统，能够精确记录超声波信号到达接收器的时间，从而确保流速测量精度。
高性能信号处理电路：本实验采用高性能信号处理电路，能够将超声波信号有效转换为电信号，并减少噪声干扰，提高信号接收效果。
数据修正与校准：在实验过程中，我们对实验数据进行实时修正与校准，进一步提高了流速测量精度。
超声波时差法测量
题目：超声波传输时差法的测量姓名： .学号： .班级： .同组成员： .指导教师： .日期： .关键词：超声波流量计，时差法，换能器，脉冲第一部分:摘要1.中文摘要：超声波用于气体和流体的流速有许多优点。
和传统的机械式流量仪表，电磁式流量仪表相比它的计量精度高，对管径的适应性强，非接触流体，使用方便，易于数字化管理等。
近年来，由于电子计术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，思潮申博流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
根据其原理，研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了一定的探讨和研究：根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了相关了解。
针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响。
在多种测量原理及方法下，这里我们则采用的是多脉冲测量法的原理和应用。
当然，我们还要结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行详细的分析和设计，讨论器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了换能器发射和接收超声波的等效电路，当其换能器发射超声波时，相当于换能器给相应的计数环节给以上升沿脉冲使其开始计数，同理，当换能器接收超声波时也产生一个上升沿脉冲，来作用于相对应的计数器使其停止计数。
针对超声波流量计的工作环境，由于条件的限制，我们只能在普通环境下进行我们的课题设计。
对造成超声波流量测量误差的各种因素我们也只能进行常规的分析以及改进。
2.英文摘要：The FV ultrasonic flowmeter is designed to measure the fluid velocity of liquid within a closed conduit.The transducers are a non-contacting, clamp-on type, which will provide benefits of non-foulingoperation and easy installation.The FV transit-time flowmeter utilizes two transducers that function as both ultrasonic transmitters andreceivers. The transducers are clamped on the outside of a closed pipe at a specific distance fromeach other. The transducers can be mounted in V-method where the sound transverses the pipe twice,or W-method where the sound transverses the pipe four times, or in Z-method where the transducersare mounted on opposite sides of the pipe and the sound crosses the pipe once. This selection of themounting method depends on pipe and liquid characteristics. The flow meter operates byalternatelytransmitting and receiving a frequency modulated burst of sound energy between the two transducersand measuring the transit time that it takes for sound to travel between the two transducers. Thedifference in the transit time measured is directly and exactly related to the velocity of the liquid in the pipe.第二部分：目录1 设计任务和要求 (6)1.1设计任务 (6)1.2设计要求 (6)2 系统设计 (6)2.1系统要求 (6)3 单元电路设计……………………………………………………………3.1 单元电路A(单稳态触发电路) …………………………………3.1.1电路结构及工作原理……………………………………………3.1.2电路仿真…………………………………………………………3.1.3元器件的选择及参数确定……………………………………………3.2单元电路B(七段显示数码管电路) ………………………………3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………3.2.2电路仿真………………………………………………………3.2.3元器件的选择及参数确定……………………………………………4 系统仿真……………………………………………………………………4. 1.原理方框图……………………………………………………4. 2.系统工作原理……………………………………………………5 电路安装、调试与测试……………………………………………………5.1电路安装………………………………………………………………5.2电路调试………………………………………………………………5.3系统功能及性能测试…………………………………………………5.3.1测试方法设计………………………………………………………5.3.2测试结果及分析……………………………………………………6 结论…………………………………………………………………………7 参考文献……………………………………………………………………8总结、体会和建议第三部分：第一章：设计任务及要求1.设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路。
时差法超声波流量计的高精度测量技术
５ 结束语
图 ４ 高速计数原理 高速计数器的设计思路是在较低的外部时钟频 率下实现高速计数， 其原理是基于数字移项技术。所
本系统采用多种措施提高超声波流量计的测量
精度， 实现了用时差法精确地测量液体流量的目的， 系统具有操作简单， 成本低， 使用方便的优点。实验结 果表明， 测量精度完全能够达到设计要求。 参考文献： ［１］同济大学声学教研室． 超声工业测量技术． 上海：上海人民出 版社，１９７７ ［２］王小平，王彦芳，李夏青． 非介入式智能（转 ３２ 页）
技 题。本系统时钟频率是 １６０ＭＨｚ， 其等效时钟频率是
６４０ＭＨｚ， 测量的最大误差是 １．５６ｎｓ。
术 ４．３ 其它措施
尽管超声波发射电路的电压比较高， 但接收传感
创 器接收到的电压信号， 只有几毫伏至几百毫伏。因此
接收电路需要对接收到的信号进行放大。放大电路由
新 限幅电路、前置放大， 带通滤波， 程控放大， 脉宽检测，
过零比较等电路组成。超声波收发脉冲的两个前沿的 差值即是超声波的传输时间。而接收传感器收到的是 正弦波， 其瞬时值和放大倍数有关， 如果采用通常的 幅度鉴别技术， 形成接收脉冲， 可能因为放大倍数的 差异或干扰带来测量误差或误判。因为干扰信号的幅 度可能也比较大， 但是宽度却是随机的。因此， 先对收 到的信号放大再进行脉冲鉴宽， 排除干扰， 然后进行 过零比较可以提高测量精度。另外， 软件编程时依据 输入的管经等参数进行计算， 给出超声波传输时间的 最小值， 在该时间之后才允许接收传感器接收信号， 这样可以消除该段时间内的干扰信号所带来的误判， 进一步提高测量精度； 第三， 因为每次测量时间很短， 流量短时不会出现很大的变化， 所以软件编程时可以 对多次测量值比较， 踢出相差很大的数值， 然后计算 出多次测量的平均值即是实际的流体流量。
基于时差法的超声波流量计的设计
基于时差法的超声波流量计的设计张涛【摘要】超声波管道流量计的研发重点是对超声波在管道液体中顺流和逆流时差的测量,并通过信号处理等办法,将时间信息换算为速度信息,再转换为管道流体所对应的流量信息.采用高精度时差芯片TDC-GP2实现对超声波管道流量计中的声波时间差的测量.论述了时差法超声波管道流量计的基本原理,介绍了TDC-GP2时间测量芯片的功能原理和使用方法,简述了相关硬件电路和系统构成.结合以上原理方法,论证了超声波流量计可行的技术方案;通过对时差法测量原理的研究,设计了相关时差测量电路,以及显示电路、信号处理电路等电路,并完成了设备的调试和组装.超声波流量计可以有效解决非介入式的管道液体、气体等流量的实时测量.%The research priority of ultrasonic flow meter is measuring the time difference between ultrasonic through in the upstream and downstream of a conduit that having iquid flowing.Then the signal processing and other related method will be used to convert the time information into velocity information.Finally,the corresponding flow information of pipeline fluid will be calculated.In the paper,high-precision time measurement chip TDC-GP2 was applied to realize the measurement of time difference by ultrasonic flowmeter.The basic research and measuring principle of the time difference method ultrasonic pipe flow meter were discussed,on the one hand,the functional theory and application method of high-precision time measurement chip TDC-GP2 have been introduced,on the other hand,the corresponding circuit design and system structure analysis have been presented as bining the above principles approach andtheories,the feasible technical proposal of ultrasonic flowmeter has been provided,and based on study of the principle of time difference measurement,the time difference measurement circuit,the display circuit and the signal processing circuit are designed.Ultrasonic flowmeter can effectively solve the pipeline gas liquid,non intrusive real-time flow measurement.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】4页(P124-127)【关键词】TDC-GP2;时差法;超声波流量计;测量精度;测量电路【作者】张涛【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】TH814.92流量测量在现代化工业自动控制领域有着举足轻重的作用。
一种时差式超声波流量计及其简化算法
一种时差式超声波流量计及其简化算法摘要：针对时差法超声波流量计时间测量精度高、运算量大的特点，设计了一种结合可编程逻辑器件（FPGA）、数字信号处理器（DSP）和单片机的超声波流量计系统。
系统的硬件时序由FPGA控制，确保时序准确，软件利用滑动窗口接收技术，提取有用测量信号，减少了需要处理的数据并增强了抗干扰能力，最后对相关算法进行简化，大大加快了测量速度。
通过Matlab仿真比较及实验测试，证明该方案可行。
关键词：时差法超声波流量；滑动窗口；算法简化；抗干扰能力中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-053-03Time Difference Ultrasonic Flowmeter and Its Simple ArithmeticSU Manhong,WU Zhimin,YE Weiyuan(Shenzhen Polytechnic College,Shenzhen,518055,China)Abstract：Aiming at the high precision time measurement and large amount computing of time difference ultrasonic flowmeter,an ultrasonic flowmeter system based on FPGA,DSP and MCU is designed.The hardware controlled by the FPGA to ensure accurate timing.The auto delay-window of signal receive technique is adopted,by extracting useful measurement signal,the needed data is reduced and anti-jamming capabilit is enhanced,and the measuring speed has been greatly accelerated by simplified algorithms.It is proved by simulator with Matlab and experiment that the system is feasible.Keywords：time difference ultrasonic flowmeter;delay window;arithmeticsimplify;anti-jamming capability流体流量计的用途十分广泛,在工业上,如石油、化工、水电等部门,流量计已经成为对液体流量检测必不可少的设备。
时差法超声波流量计误差分析与研究
时差法超声波流量计误差分析与研究晁智强;盛锋;韩寿松【摘要】在检测液压系统故障时,利用时差法超声波流量计检测流量已经得到广泛使用,该文针对超声波流量计在使用中可能出现的误差进行分析并提出修正方案,进一步提高时差法超声波流量计在液压系统故障检测中的准确应用.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2009(000)006【总页数】4页(P64-67)【关键词】时差法超声波流量计;流量;误差分析【作者】晁智强;盛锋;韩寿松【作者单位】装甲兵工程学院,机械系机电教研室,北京,100072;装甲兵工程学院,机械系机电教研室,北京,100072;装甲兵工程学院,机械系机电教研室,北京,100072【正文语种】中文【中图分类】工业技术【文献来源】https:///academic-journal-cn_chinese-hydraulics-pneumatics_thesis/0201225875832.html液压与气动 2009 年第 6 期时差法超声波流量计误差分析与研究晁智强，盛锋，韩寿松 ErrorAnalysisandStudyonTransit-timeUltrasonicFlowmeter CHAO Zhi-qiang,SHENGFeng,HangShou-song (装甲兵工程学院机械系机电教研室，北京 100072)摘要：在检测液压系统故障时，利用时差法超声波流量计检测流量已经得到广泛使用，该文针对超声波流量计在使用中可能出现的误差进行分析并提出修正方案，进一步提高时差法超声波流量计在液压系统故障检测中的准确应用。
关键词：时差法超声波流量计；流量；误差分析中图分类号： TH137文献标识码：B文章编号：1000-4858(2009) 06-0064-04引言液压系统具有结构轻小、传动比大、运行平稳等优点，已经广泛应用于各个工程领域。
液压系统在坦克装甲车辆也得到了广泛的应用，如坦克助力系统、坦克抢救车等。
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重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被供水、石油、化工、电力等部门广泛应用。
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。
本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料，选择时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究，并设计了具体的硬件电路，主要工作及创新有：1.研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究；根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了修正，并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式；2.针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响；介绍了几种常用提高超声波测时精度方法的同时，讨论并采用了超声波时差测量的新方法——多脉冲测量法的原理和应用；3.结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析和设计，讨论了器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路；在信号调理上，除了常规的滤波电路外，还采用了自动增益放大电路来提高信号的可靠性；而且，采用主从单片机协同工作的方式，提高了系统的稳定性；在软件方面，给出了系统的软件流程图并较详细地叙述了算法的实现；4.针对流量计的工作环境，对流量计系统的抗干扰性进行了研究，并采取了相应的软、硬件措施；5.对造成超声波流量测量误差的各种因素进行了详细的分析、研究，并应用误差理论，对时差法超声波流量计的各种可能的误差进行了误差分配和合成；对硬件电路和软件进行了试验性的验证，给出了实验结果。
关键词：超声波流量计，时差法，传播时间ABSTRACTUltrasonic flowmeter has been widely used in waterworks,oil industry,chemical industry and electric power plant in virtue of its many advantages,such as non-contact, wide measurement scope,convenience of installation,especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment.However,the ultrasonic flowmeter develops just some ten years,and has some disadvantages,thus it is necessary to make modification and advance.After deep market investigation and many references about the ultrasonic flowmeter,we choose time-difference-type ultrasonic flowmeter for our study objects. The article makes deep theoretical research on the problem of improving accuracy, stability and reliability.In addition,it supplies the designs of circuits.Generally,there are five parts as the following:1.Expouded the principles of some ultrasonic flowmeter,especially about the time-difference-type ultrasonic flowmeter;researched the transducer the propagation character of ultrasonic in fluid.Then the ultrasonic flowmeter was corrected according to the theory of hydromechanics and physics,and calculation formulae of the flow revision coefficient are given under different state.2.On account of the problem that the accuracy of traditional ultrasonic flowmeter is easily influenced by temperature,adopt an improved algorithm which can avoid the influence on accuracy by temperature variation to some extent;introduce several means about precise measurement on propagating time,meanwhile,discuss the theory and application of a brand new measurement method--the multi-beams method deeply.3.Taking the study into consideration,analyze and design the hardware circuit of flowmeter in detail,discuss some technical matters such as chip selection and parameters calculation,design a better matching emitting and receiving circuits,use routine filter circuit and automatic gain control circuit to adjust signal;furthermore, with the help of double MCU,the resist ability of system to disturbing is improved strongly.In software,the soft flow chart of system and the design idea of the system are given.4.Considering the environment the ultrasonic flowmeter worked,the anti-jamming of the flowmeter system are discussed,and the corresponding methods of soft and hardware are adopted to minish or remove the interfere.5.Analyze and study various error source which appear in ultrasonic flowmeter working environment and in installation process.According to the distribution principle which is to stress main errors,compose all possible errors.Keywords：Ultrasonic Flowmeter,Time Difference Method,Travel Time.1.绪论1.1流量计的发展概述自古以来流量测量都是人类文明一种标志，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[1]。
早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。
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，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。
1911～1912年,美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展[2]。
第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
为满足不同种类流体特性，不同流动状态下的流量计量问题，近30年来，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计，电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。
目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。
随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。
但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。
我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。
至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。
目前我国的流量装置方面与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平[1]。