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高精度时差法超声流量计关键技术的研究
周振飞
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超声波流量计在液体流量计量领域中体现出越来越重要的地位，无论是在工农业生产还是日常生活中都发挥着举足轻重的作用。而时差法超声波流量计更是有着很多突出的优点倍受国内外学者青睐，主要的研究热点是如何提高流量计的计量精度和重复性。本论文研究了时间差信号对超声波流量计计量特性的相关影响，以及对提升测量精度和稳定性贡献程度。
首先，论文对时差法超声波流量计的测量原理做了详细的介绍，对引起测量误差的原因进行了定性和定量的分析。其中声时信号是时差法超声波流量计获得流速信息的关键，时间差的准确测量是超声波流量计实现高精度测量的前提。为此，文章对影响时间差测量的因素进行了系统的研究，时间差信号的测量主要受时间测量的分辨率、超声回波检测、信号延迟和换能器性能等因素的影响。我们选用高分辨率的时间测量芯片提升了时间测量精度；通过提出的一种回波信号的处理及过零阈值比较电路，有效的解决了回波信号的端点检测；采用了通道切换技术克服了信号延迟的不一致性问题则；通过静态下零点校准的方法解决了换能器性能的不对称性问题。这些措施为提高系统测量的精度和稳定性奠定了基础。
其次，论文对采集的时间差数据统计特性做了详细的分析，分别采用时域和频域的处理方法对时间差信号进行降噪处理，以达到提高流量计的计量精度和重复性的目的。分别选用了加权滑动平均滤波法和小波阈值降噪法对时差数据进行降噪处理，并给出了这两种方法的实验分析结果。结果显示，相较于加权滑动平均滤波法，小波阈值降噪法对于超声波流量计采集数据的处理更加有效可行，有效的提高了超声波流量计的测量精度。
最后，结合超声波流量计时间差测量的特点，文章采用 FPGA 设计了时间差测量模块，所设计的时间测量模块主要包括粗测量单元、精测量单元和数据运算及存储单元。文章详细的给出了各个单元的设计原理，仿真结果显示设计的时间测量电路基本达到了要求。
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