開題報告超聲波流量計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告 設(shè)計(jì)（論文）題目: 超聲波水流量計(jì) 院 系 名 稱: 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級: 測控技術(shù)與儀器11-1班 學(xué) 生 姓 名: 導(dǎo) 師 姓 名: 開 題 時 間: 20 年 月 日 指導(dǎo)委員會審查意見： 簽字： 年 月 日一、課題研究目的和意義一、課題研究目的和意義由于目前國內(nèi)還有大部分的液體流量計(jì)是用傳統(tǒng)的接觸式測量法，但是接觸式流量流速測量具有十分明顯及普遍的缺點(diǎn)：受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響十分大，并且難以檢測到強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)流量的測量，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)接觸式

2、流量計(jì)會隨著測量管徑的增大會帶來制造和運(yùn)輸上的十分困難，關(guān)鍵是造價的提高、使用能量損耗加大、安裝維護(hù)困難等等因素使得廠家們與顧客急于尋找一種新的流量測量方法來減少種種環(huán)境或材料等因素對測量的影響。本設(shè)計(jì)通過對超聲波在水中的傳播特性、超聲波傳感器工作機(jī)理分析設(shè)計(jì)一種基于超聲波測量原理測量流量的儀器。2、 文獻(xiàn)綜述隨著國家節(jié)能降耗工作的不斷深人開展,各個企業(yè)對液體流量計(jì)量也越來越重視,在過程控制中使用不同原理和類型的流量計(jì)進(jìn)行測量,其中超聲波流量計(jì)隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展成熟、測量精度的不斷提高等優(yōu)點(diǎn)越來越多的被企業(yè)所青睞1。超聲波流量計(jì)是在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息,因此通過接收到的超聲

3、波就可以檢測出流體的流速,從而換算成流量,它屬于非接觸式儀表，即通過把測量傳感器夾裝在測量管路外表面上進(jìn)行測量,適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量,解決了實(shí)際應(yīng)用中大管徑、大流量測量困難等問題3。流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20

4、世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決6。按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為:差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)，來分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)7。1差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計(jì)算流量的儀表。差壓式流量計(jì)由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成

5、。通常以檢測件形式對差壓式流量計(jì)分類,如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì),差壓變送器及流量顯示儀表。差壓式流量計(jì)已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數(shù),也可測量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。差壓式流量計(jì)的檢測件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類8。檢測件又可按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為二大類:標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的。所謂標(biāo)準(zhǔn)檢測件是只要按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用,無須經(jīng)實(shí)流標(biāo)定即可確定其流量值和估算測量誤差非標(biāo)準(zhǔn)檢測件是成熟程度較差的,尚未

6、列入國際標(biāo)準(zhǔn)中的檢測件。差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用最廣泛的流量計(jì),在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來,由于各種新型流量計(jì)的問世,它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計(jì)。差壓式流量計(jì)流體體積流量公式為：v=aA2/j(p-q)v-體積j-液體密度a-流量系數(shù)，與流道尺寸取壓方式和流速公布有關(guān)A-孔板開孔面積p-q-壓力差缺點(diǎn):(1)測量精度普遍偏低;(2)范圍度窄,一般僅3:14:1;(3)現(xiàn)場安裝條件要求高;(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)9。2浮子流量計(jì)浮子流量計(jì),又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì),是變面積式流量計(jì)的一種,在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的

7、,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最寬廣的一類流量計(jì),特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。80年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%20%。中國產(chǎn)量1990年估計(jì)在1214萬臺,其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計(jì)。缺點(diǎn)：(1)是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風(fēng)險;3容積式流量計(jì)容積式流量計(jì),又稱定排量流量計(jì),簡稱PD流量計(jì),在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分,根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。容積式流量計(jì)按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計(jì)、

8、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。缺點(diǎn):(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大;(2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;(3)不適用于高、低溫場合;(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;(5)產(chǎn)生噪聲及振動10。4渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì),是速度式流量計(jì)中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類型流量計(jì)之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列

9、批量生產(chǎn)的規(guī)模。缺點(diǎn):(1)不能長期保持校準(zhǔn)特性;(2)流體物性對流量特性有較大影響。5電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。電磁流量計(jì)有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。70、80年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì),在流量儀表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。缺點(diǎn):(1)不能測量電導(dǎo)率很低的液體,如石油制品;(2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;(3)不能用于較高溫度。6渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體,流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯排列的游渦的儀表

10、。渦街流量計(jì)按頻率檢出方式可分為:應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。渦街流量計(jì)是屬于最年輕的一類流量計(jì),但其發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計(jì)。缺點(diǎn):(1)不適用于低雷諾數(shù)測量;(2)需較長直管段;(3)儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計(jì)相比);(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)11。7超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)屬于非接觸式的測量類型儀器，超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，就可以換算成流量。超聲波的特性使得超聲波流量計(jì)幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，由于其非接觸的特性使其可解決其它類型儀表

11、所難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。超聲波流量計(jì)更適用于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑管口的流量。它與水位計(jì)聯(lián)動可以進(jìn)行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量計(jì)不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。另外，鑒于非接觸測量特點(diǎn)，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。它的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的13。實(shí)踐證明這些流量計(jì)的測量范圍、

12、精度都較低，一般用于精度要求不高、流速較低且流量較小的場合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到諸多供水系統(tǒng)的要求，而利用超聲波測量原理來測量流量能達(dá)到較高的精度17。三、基本內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)與電路分析：單片機(jī)系統(tǒng)、存儲器電路、顯示電路、時鐘電路、電源電路等電路組成。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：主要包括主程序及各部分子程序流程圖的設(shè)計(jì)及程序源代碼的編寫；系統(tǒng)的誤差分析等。預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：適用于管道和明渠流量測量,測量流體：水或其它雜質(zhì)較少的液體,管徑或明渠寬度：0.320m,流速：0.112m/s四、整體方案設(shè)計(jì)的方案如圖1系統(tǒng)框圖所示，超聲波流量計(jì)系統(tǒng)包括流量計(jì)主機(jī)、流量變送器和計(jì)算機(jī)，采用超聲

13、波發(fā)射與接收傳感器，將數(shù)據(jù)通過信號處理電路轉(zhuǎn)化模擬信號，在通過轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過選用單片機(jī)作微處理單元，進(jìn)行信號的采集、計(jì)算處理、判斷等工作并傳輸?shù)斤@示電路、以及電源電路。圖1 系統(tǒng)框圖五、技術(shù)路線或研究方法本題目的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)圖如圖2所示。1、確定超聲波水流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案、指標(biāo)，進(jìn)行硬件、軟件整體優(yōu)化；2、根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行電路參數(shù)的計(jì)算，選擇元器件，繪制電路原理圖；3、硬件（如前置電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)等）的焊接、硬件調(diào)試；4、根據(jù)軟件方案進(jìn)行軟件流程圖設(shè)計(jì)，軟件源代碼的編寫、調(diào)試；5、軟硬件聯(lián)合調(diào)試。圖2 技術(shù)路線圖 六、進(jìn)度安排1、第12周：查閱資料并準(zhǔn)

14、備開題報告；2、第37周：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，制作與調(diào)試；3、第810周：軟件編程及調(diào)試；4、第1113周：系統(tǒng)的綜合調(diào)試與試用；5、第1415周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的撰寫，并做好答辯的有關(guān)準(zhǔn)備工作；6、第16周：開始答辯。參考文獻(xiàn)1 周會映.相關(guān)超聲波流量計(jì)中相關(guān)器的硬件實(shí)現(xiàn)D.電子科技大學(xué),2008.2 趙景波，王臣業(yè).Protel99SE電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與工程范例M. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.3 吳衛(wèi)玲，宋喜報.基于超聲波原理的流量計(jì)的設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)J.實(shí)用測試技術(shù)，2009. .4 樓然苗，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo). 北京航空航天大學(xué)出版社M，2007年.5 劉海成，曲貴波.單片機(jī)及應(yīng)用原理教

15、程M.北京：中國電力出版社，2012.7.6 李曉娜.基于超聲波的流量測量技術(shù)的研究D.內(nèi)蒙古，內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2010.5. 7 馬彪.超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)及誤差分析J8 穆軍.超聲波流量計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢及應(yīng)用關(guān)注探討J9 王莉，曹譯恒，任勝杰，牛群峰.基于Cortx-M3的低功耗多聲道超聲液體流量計(jì)設(shè)計(jì)J.2014-11-0611 胡長江.基于FPGA的超聲波液體流量計(jì)的設(shè)計(jì)D.哈爾濱理工大學(xué),2013.312 殷人昆.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):C語言描述M.清華大學(xué)出版社,201213 孫望，王魯海，王兆杰，于大勇，朱雨建，揚(yáng)基明.基于PIV測量的超聲波流量計(jì)內(nèi)流場特性研究J.2014.1214 李玉娟，馬華.C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)M.人民郵電出版社,201215 門宏.LED實(shí)用電路解讀.化學(xué)工業(yè)出版社M.201216 Samuel.P.Harbison.C語言參考手冊M.人民郵電出版社,200717 梅海舟.基于TDC-GP21型超聲波流量計(jì)的開發(fā)與研究D.2012.1118 馮先成.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社.201319 楊打生，宋偉.單片機(jī)C51技術(shù)應(yīng)用M.北京理工出版社.201120 B. D. Kolpak, O. P. Kruk, M. F. Natalyuk et al.