臺灣博碩士論文加值系統

本研究的目的在分析、設計，並製作出一台直管型科式質量流率計之芻型機。論文中首先討論科式質量流率計的基本理論及設計原理；再從科式質量流率計的科式管開始，使用有限元素分析法進行科式管的模態分析；依序進行科式管之刺激頻率、管路尺寸、最適當材料的選擇及設計。並計算出科式管於上下游處，裝置訊號感測器的最適當位置。經過以上分析、設計所得的數據，進行此一直管型科式質量流率計的實驗平台架設，在管路的上下游處裝置霍爾感測器來量取質量流率之訊號，此一訊號經濾波、放大及數位化處理後輸入至FPGA電路中，以VHDL語言撰寫簡單的比較電路，再以八位元之顯示訊號輸出。最後利用穩定之水流源來進行質量流率的量測與訊號分析。本研究的結果顯示此一直管型科式質量流率計之芻型，的確具有準確量測質量流率的特性。此一結果為未來進行科式質量流率控制器的研究奠定了一個良好的基礎。

The purpose of this research is to analyze, design, and setup a prototype straight tube Coriolis mass flowmeter. First, we present the basic theory and the design principles of a Coriolis flowmeter. Second, we perform a finite element modal analysis on a straight tube flowmeter using ANSYS program, to select the excitation frequency, tube size and tube material, and to calculate the sensor position of the design Coriolis tube. Then, we build a prototype straight tube Coriolis mass flowmeter based on the simulation result from the finite element model. We install Hall Sensors in Coriolis tube to read the mass flow signals, the received signals are filtered, amplified and digitalized, then input to a Field Programmable Gate Array for flow rate signal procession. We use VHDL Hardware Description Language to compile a comparison circuit and output the mass flow rate in 8-bit LED display. Finally, we use a steady water flow source to test and analyze the mass flow signal. The test result demonstrates the capability of an accurate mass flow rate measurement with this prototype Coriolis flowmeter, and it builds a solid foundation for future Coriolis flow controller research.

摘要 ………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要 ………………………………………………………………Ⅱ
誌謝 ………………………………………………………………Ⅲ
目錄 ………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄 ………………………………………………………………ⅤⅡ
表目錄 ………………………………………………………………Ｘ
程式目錄 ………………………………………………………………ＸI
第一章 緒論
1.1 研究動機 ………………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧 ………………………………………………………… 3
1.3 論文結構 ………………………………………………………… 6
第二章 科式質量流率計之設計原理
2.1 理論說明 …………………………………………………… 8
2.1.1 氣體狀態方程式法 ………………………………………… 8
2.1.2 熱力學第一定律法 ………………………………………… 9
2.1.3 流體力學的應用法 ………………………………………… 12
2.1.4 科式力的應用法 …………………………………………… 12
2.2 質量流率計之管路硬體 …………………………………… 15
2.3 管路受力位移之情形 ……………………………………… 17
2.4 訊號處理 …………………………………………………… 20
2.5 架構及方塊圖 ……………………………………………… 22
第三章 科式質量流率計管路之模態分析
3.1 前言 ………………………………………………………… 24
3.2 管路分析 …………………………………………………… 25
3.2.1 管型選擇 …………………………………………………… 25
3.2.2 圓形管徑選擇 ……………………………………………… 29
3.2.3 刺激頻率選擇 ……………………………………………… 31
3.2.4 管長分析 …………………………………………………… 32
3.2.5 感測器位置分析(ANSYS分析) …………………………… 39
3.2.6 感測器位置分析(材力分析) ……………………………… 42
3.2.7 管路選擇 …………………………………………………… 46
3.3 管路自然頻率對流體密度之分析 ………………………… 49
3.4 小結 ………………………………………………………… 51
第四章 科式質量流率計之架設
4.1 前言 ………………………………………………………… 53
4.2 刺激部份 …………………………………………………… 53
4.2.1 振盪器除頻電路 …………………………………………… 54
4.2.2 刺激線圈電路 ……………………………………………… 55
4.3 電路部份 …………………………………………………… 57
4.3.1 感測器 ……………………………………………………… 58
4.3.2 濾波器 ……………………………………………………… 60
4.3.3 OP訊號放大器 ……………………………………………… 69
4.3.4 數位化比較電路 …………………………………………… 70
4.4 計數器部份 ………………………………………………… 70
4.4.1 上緣微分及下緣微分 ……………………………………… 73
4.4.2 彈跳消除電路 ……………………………………………… 75
4.4.3 正反計數器 ………………………………………………… 77
第五章 科式質量流率計之測量
5.1 科式質量流率計之實驗設備 ……………………………… 79
5.2 科式質量流率計之測量 …………………………………… 82
5.3 科式質量流率計測量之分析 ……………………………… 87
第六章 結果討論及未來研究
6.1 科式質量流率計之結果討論 ……………………………… 89
6.2 科式質量流率計之未來研究 ……………………………… 94
參考文獻 ……………………………………………………………… 96
符號表 ……………………………………………………………… 99
作者簡介 ……………………………………………………………… 101
著作 ……………………………………………………………… 102

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[20]　唐佩忠，VHDL與數位邏輯設計，初版，高立圖書有限公司，台灣台北，第一章，1999年九月。