畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-管道液體流速在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-08 01:27 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 和反射界面或者散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被反射或被散射的超聲波信號(hào)的頻率將發(fā)生變化，該頻率與聲源超聲波頻率之間的差值與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比， 這一現(xiàn)象被物理學(xué)家 Christian Doppler 在 1842 年首次發(fā)現(xiàn)，稱之為多普勒效應(yīng)。接收信號(hào)的頻率與聲源的頻率之差稱為多普勒頻移；相應(yīng)的頻差信號(hào)稱為多普勒信號(hào)。當(dāng)流體存在著可反射 或散射超聲波的跟隨粒子時(shí)，便可以利用多普勒信號(hào)確定流體的速度。 管道液體流速測(cè)量的研究意義 及發(fā)展 在科技飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，流速測(cè)量廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)液體流速的測(cè)量提出了越來越高的要求， 所以只有液體流速測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)才能為社會(huì)發(fā)展保駕護(hù)航。流速計(jì)作為計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，做好流速計(jì)這項(xiàng)工作對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重要的作用。石油、水是能源的重要組成部分 ，流速計(jì)是檢測(cè)的重要手段。本文提出的管道液體流速在線測(cè)量 —— 超聲波多普勒測(cè)流速 ，它 具有 頻率 高的特點(diǎn)。 流速測(cè)量技術(shù)起源很早，早在十八世紀(jì)皮托管首次用一根彎成直角的玻璃管測(cè)量了塞納河的流速。伴隨著科技的進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，進(jìn)入 20 世紀(jì)流速測(cè)量技術(shù)的手段不斷地創(chuàng)新， 20 年代發(fā)明了熱線測(cè)速儀以及后來的激光多普勒測(cè)速儀和九十年代成熟起來的粒子圖像測(cè)速儀等等。 利用光波的多普勒效應(yīng)來測(cè)量流速的技術(shù) ,是繼熱線熱膜測(cè)速技術(shù)之后流速測(cè)量的技術(shù)的又一重大進(jìn)步 。自從 1964 年 H Yeh和 H Z Cummins 發(fā)明第一臺(tái)激光多普勒流速測(cè)量計(jì)以來，近二十年中，無論在理論、品件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)還是激光流速的應(yīng)用方面都取得了豐富的成果，盡 管這種測(cè)速技術(shù)有它自己本身的缺點(diǎn)，但越來越多的人們?cè)谧约旱膶?shí)驗(yàn)、科研中使用 激光流速計(jì)，實(shí)踐證明它的確比畢托管和熱線風(fēng)速計(jì)在不少地方都具有優(yōu)越性。 而超聲波多普勒流速儀的出現(xiàn)對(duì)于管道中微小粒子的測(cè)量又有了更大的提高。 利用超聲波 多普勒測(cè)速儀測(cè)量流速的方法在流速計(jì)中已有廣泛的研究及應(yīng)用，多維系 統(tǒng)、光纖傳輸技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理和微機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的出現(xiàn)把超聲波 多普勒技術(shù)推向 更高的水平。此外，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用是讓小型化成為可能，推動(dòng)超聲波 多普勒測(cè)速走出實(shí)驗(yàn)室，邁向工業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 用于在線測(cè)量的便攜式流速測(cè)量儀原理是 利用超聲波多普勒原理測(cè)量液體流速。非接觸式超聲波 多普勒流速計(jì)是在線測(cè)量中的佼佼者，尤其是它具有測(cè)量面積小，空間分辨率高，它不需要校正、響應(yīng)特性好，應(yīng)用范圍寬。 20 世紀(jì) 60 年代美國最先開始為宇航業(yè)所需氣體質(zhì)量流量控制設(shè)備開發(fā)熱式質(zhì)量流量計(jì)正式產(chǎn)品，我國也早在 70 年代就開發(fā)了熱式流量儀表，然而僅在鹽城師范學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 軍事工業(yè)上有所應(yīng)用，適用面窄， 2021 年以后國內(nèi)生產(chǎn)廠家逐步增多，如今的熱式流量計(jì)技術(shù)比較成熟，但是其主要應(yīng)用在氣體流量測(cè)量且最適用于測(cè)量低流速，因此不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量。皮托管常用測(cè)量管道風(fēng)速、爐窖煙道內(nèi)的氣流速度 ，也可以測(cè)量管道內(nèi)的水流速度。 流量測(cè)速計(jì)的發(fā)展除采用新技術(shù)、新的原理以外，在已有的成熟的測(cè)量技術(shù)改進(jìn)方面也有很大的發(fā)展，功用和性能上已有很大提高并且在實(shí)際中起了很大的作用。在計(jì)量校準(zhǔn)、檢定的領(lǐng)域里，對(duì)準(zhǔn)確度的要求極為嚴(yán)格，正是基于這種現(xiàn)狀和實(shí)際情況的需要，開發(fā)基于多普勒原理的在線流速測(cè)量的裝置是很有必要的。 超聲波 多普勒測(cè) 管道 流速原理 超聲波傳感器的基本原理 超聲波有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可兼有發(fā)射和接收。 人們聽到的聲音頻率為 20Hz~20kHz，超出此頻率范圍聲音，即 20Hz以下的 聲音稱為次頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)原理 。超聲波傳感器 主要由金屬網(wǎng)、外殼、錐形揚(yáng)聲器、壓電晶片、底座、引腳等部分組成 。 多普勒效應(yīng)測(cè)流速原理 多普勒 測(cè)速原理是根據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定的聲源，歲流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆?？梢园讶肷涞某暡ǚ瓷浠亟邮掌?。入射波與反射波之間的頻率差就是流體中的固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒的頻移。由于這個(gè)頻差正比于流體速度，所以通過測(cè)量的頻率差就可以求得流速。超聲波多普勒流速計(jì)是由于流體內(nèi)的微小粒子與流體有相同的移動(dòng)速度，利用超聲波遇到物體、反射且傳播頻率發(fā)生這一多普勒效應(yīng)求得流速。這種流速計(jì)的測(cè)量原理是測(cè)定流體中微小粒子的移動(dòng)速度，其測(cè)量方法如圖 1 所示。圖 中，由發(fā)送器發(fā)送頻率為 1f 的超聲波，經(jīng)流速為 v 的粒子反射，在接受器中檢測(cè)到頻率為 2f ，接受頻率 2f 和發(fā)送頻率 1f 的差稱為多普勒頻移 f ，即 2 1 22 c o svf f f fu ?? ? ? （ 2— 1） 在上式中，確定了聲波速度 u ，就求出流速 v 。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 2 1 0 c o s2 c o svf f f f cv ? ?? ? ? ? （ 2— 2） 以上各式中： ? 為聲波方向與流體速度 v 之間的夾角， 0f 為聲源的初始聲波頻率，c 為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若 coscv??? ，則 02 cosvffc ?? （ 2— 3） 02 coscvff ?? （ 2— 4） 式（ 2— 4）是按單個(gè)顆粒考慮時(shí)，測(cè)得流 體的流速。但對(duì)于實(shí)際含有大量的顆粒群的水流時(shí)，則應(yīng)對(duì)所有的頻移信號(hào)都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒 流速計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)射器和接收器兩個(gè)指向性波束重疊的區(qū)域內(nèi)的顆粒反射波，這個(gè)重疊的區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗 如圖 2 所示 ，即信息窗內(nèi)的多普勒頻移為反射波疊加的平均值。
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