面向管道原油密度测量的超声波飞越时间测量方法研究

摘要

密度是指单位体积中的物质的质量，它是表征物质特性的一个基本物理量。密度测量，是一项重要的测量技术，它不仅在物理、化学、计量学、海洋学等学科中对物质性质的研究起着重要的作用，而且在石油、化工、冶金、轻工、材料等工业部门中应用十分广泛，对实现生产过程和产品质量的自动控制和检验也同样起着很重要的作用。 本文在超声波技术和液体密度检测相关知识的基础上提出了一种适用于石油化工行业的管道输送原油产品密度的在线测量技术，并根据测量原理设计了一种管道原油密度测量系统。该设计的关键是超声波在液体中的飞越时间的测量。文中主要介绍了管道输送原油密度的测量原理、测量系统的部分硬件构成和单片机系统的功能软件的实现。系统在超声波传感器的安装上采用了先进的磁吸式结构，可直接安装在不同管径的石油管道外，无需停流截管安装，不影响管路系统的正常运行。 系统利用了超声波在不同介质中的传播速度不同这一原理，通过超声波传感器在管道外发射、接收超声波，采用FPGA来测出超声波在管道流体中的飞越时间，从而计算出超声波在介质中的传播速度。通过液体密度和超声波在液体介质中的传播速度之间的关系来达到检测原油密度的目的。文中还对超声波的发射接收实验和飞越时间的测量实验进行了介绍，并对实验结果进行了分析。

目录

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第一章绪论

1.1管道输送原油密度在线测量的重要意义

1.2液体密度的测量方法

1.2.1浮子法

1.2.2静压法

1.2.3射线法

1.2.4电容法

1.2.5振动法

1.2.6小结

1.3超声波法密度测量原理

1.3.1超声波简介

1.3.2超声波的种类(波形)

1.3.3超声波法检测液体密度的原理

1.3.4超声波法进行液体密度检测的发展及研究现状

1.4本课题研究的意义和创新点

第二章管道输送原油密度的测量原理

2.1超声波传感器理论

2.1.1超声波传感器简介

2.1.2超声波传感器的选型

2.1.3超声波传感器的安装

2.2管道输送原油密度的超声波法测量原理

2.2.1超声波在液体中的声速

2.2.2超声波在管道流体中声速的测量原理

2.2.3压缩系数

2.2.4影响因素分析

2.3管道输送原油密度测量系统

2.3.1系统的设计思路和工作原理

2.3.2系统的应用领域和测量条件

2.4本章小结

第三章测量系统的硬件设计与实现

3.1引言

3.2单片机及其外围电路的设计

3.2.1 MSP430系列单片机简介

3.2.2 MSP430F149单片机的特点

3.2.3单片机的最小系统

3.2.4单片机的电源电路和复位电路的设计

3.2.5 RS-232串口通信电路的设计

3.2.6 JTAG调试接口电路

3.3超声波发射、接收电路的设计

3.3.1超声波发射电路的设计

3.3.2超声波接收电路的设计

3.4 FPGA数字系统设计

3.4.1 FPGA在系统中完成的主要功能

3.4.2 FPGA介绍和芯片的选取

3.4.3 EP1C6T144性能简介

3.4.4 FPGA开发环境和硬件描述语言

3.4.5 Mars-EP1C6-Core核心板及FPGA配置

3.4.6 FPGA内部逻辑设计

3.5硬件的抗干扰设计

3.6本章小结

第四章单片机系统的功能软件设计

4.1引言

4.2单片机软件的开发调试环境和指令系统

4.2.1开发调试环境IAR Embedded Workbench

4.2.2 MSP430单片机的指令系统

4.3单片机系统的软件设计流程

4.3.1系统初始化模块的设计

4.3.2串行通信模块的设计

4.3.3数据处理模块的设计

4.4软件的抗干扰设计

4.5本章小结

第五章超声波飞越时间测量实验及结果分析

5.1引言

5.2超声波发射接收实验

5.2.1实验介绍和实验结果

5.2.2实验中出现的问题和解决方法

5.3超声波在管道中飞越时间的测量实验及结果分析

5.3.1实验介绍和实验结果

5.3.2实验误差分析

5.4本章小结

第六章总结和展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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