畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-管道液體流速在線測量系統(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)展對液體流速的測量提出了越來越高的要求， 所以只有液體流速測量的數(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)是檢測的重要手段。本文提出的管道液體流速在線測量 —— 超聲波多普勒測流速 ，它 具有 頻率 高的特點(diǎn)。 流速測量技術(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)流速測量技術(shù)的手段不斷地創(chuàng)新， 20 年代發(fā)明了熱線測速儀以及后來的激光多普勒測速儀和九十年代成熟起來的粒子圖像測速儀等等。 利用光波的多普勒效應(yīng)來測量流速的技術(shù) ,是繼熱線熱膜測速技術(shù)之后流速測量的技術(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 管這種測速技術(shù)有它自己本身的缺點(diǎn)，但越來越多的人們在自己的實(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)對于管道中微小粒子的測量又有了更大的提高。 利用超聲波 多普勒測速儀測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 多普勒測速走出實(shí)驗(yàn)室，邁向工業(yè)和現(xiàn)場應(yīng)用。 用于在線測量的便攜式流速測量儀原理是 利用超聲波多普勒原理測量液體流速。非接觸式超聲波 多普勒流速計(jì)是在線測量中的佼佼者，尤其是它具有測量面積小，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)用在氣體流量測量且最適用于測量低流速，因此不適用于工業(yè)現(xiàn)場的測量。皮托管常用測量管道風(fēng)速、爐窖煙道內(nèi)的氣流速度 ，也可以測量管道內(nèi)的水流速度。 流量測速計(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量的裝置是很有必要的。 超聲波 多普勒測 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)測流速原理 多普勒 測速原理是根據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測其多普勒頻率差。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運(yùn)動(dòng)，該固體顆粒可以把入射的超聲波反射回接收器。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)的測量原理是測定流體中微小粒子的移動(dòng)速度，其測量方法如圖 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?？紤]時(shí)，測得流 體的流速。但對于實(shí)際含有大量的顆粒群的水流時(shí)，則應(yīng)對所有的頻移信號(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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