雙超聲波干涉偏移法測(cè)量流體流速.docx

1、EENXCHBETOCMITSaOWT實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理IcriTka/nciMErmcrti第36卷第1期2011-1月«.36hfc>,123191X)12.1679Vl<ri.M.2D19.O1.015雙超聲波干涉偏移法測(cè)量流體流速陳水橋”鄭遠(yuǎn)，王紐"王宙洋n何亮伊江大學(xué)物理學(xué)系。浙江杭州31GC27>摘要:介紹r一種基于兩個(gè)波源的雙超聲波干涉偏移法測(cè)量流體流速.推導(dǎo)利用介質(zhì)流動(dòng)造成的偏移效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體速度的近似公式利用超聲波信號(hào)干涉的方程揭示出了流體的流速與超聲波信號(hào)干涉強(qiáng)度之間的關(guān)系結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和分析r這種關(guān)系劣得了曲線的線性近似的適用范圍/U用C

2、ASS/系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)氣體流速進(jìn)行了測(cè)量和驗(yàn)證分析了實(shí)驗(yàn)誤差.實(shí)驗(yàn)證明利用雙超聲波涉偏移法測(cè)J量流體流速的結(jié)果與現(xiàn)有的風(fēng)速儀刪星的值基本吻合疽F均相對(duì)誤差為5.5%-關(guān)鍵詞二流體流速二雙超聲波干涉二波束偏移效應(yīng)ZQASSLdo中圖分類號(hào)2-TW51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)瑪二A文章編號(hào)二1OC83EffiQD19初EggCHENStJoed-ZHENGLbi，WANGKLo，WANGHEUet(Ljartrna-t-Harfmj3lGCE7/VMirct-ActxhfeLBry：w>fcscfEdt.mdtccbfe-msscrv-fUdbEssdcrrttB±v><SAetvmadL

3、m-ffciAr心cferiued.ThetKjndnp>bdtwseTthecfHtidandltiei_tarfeorcjecffctQj&fecJutJrk-andSacrrtiimvAfcicxrriaahxJteticriandcfHterdhtionyDcdFtteIhHErioiTEtizncPtfecxroeMddteared.TheGASS'/LbpK&mMusedtomaEB-teandppcandtheOf»WTCT-tcfmEEarwH-fcltyancttheauar»ue«ror-fc5.47%.Keywh

4、L二flL5dx<*3EdciiUKiBn=xritcrcrcobcEmcf&tjeffel_*CSSi<I常見(jiàn)的流體流速測(cè)量方法有流體通過(guò)孔板產(chǎn)生微壓差法測(cè)量流體流速優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便缺點(diǎn)是測(cè)雖受外界干擾比較大熟線法測(cè)雖流體流速利用r熱線電流與流速的關(guān)系優(yōu)點(diǎn)是直觀缺點(diǎn)是儀器調(diào)節(jié)比較繁瑣誤差較大多普勒頻移法測(cè)量流體流速需要測(cè)量粒了的速度疫現(xiàn)難度較大10-除此之外走I聲流量計(jì)也是一種比較好的測(cè)量流體流速的方法它常利用波束偏移法湘關(guān)法、噪聲法等實(shí)現(xiàn)流量測(cè)定.超聲波具有頻率高方向性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)所以在許多科技領(lǐng)域都起到了重要的作用.在大學(xué)物理收稿日期2D18XKD9作者簡(jiǎn)

5、介撕水橋<3971-痢江湖州頂上*級(jí)工程師JJf究方向?yàn)槲锢韺?shí)騎技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室管理.lUnil)g|by)g豆不/實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用超聲波的干涉可以精確地測(cè)量空氣中的聲速由-在工業(yè)應(yīng)用中斑聲波也可以用來(lái)測(cè)量風(fēng)速和流體流量.常見(jiàn)的超聲風(fēng)速儀一般基于時(shí)差法包括相位差、頻差等冰實(shí)現(xiàn)3-其中琳統(tǒng)的波束偏移法是基于單個(gè)超聲波波源下利用兩個(gè)接收器收到的信號(hào)強(qiáng)度的差異來(lái)計(jì)算發(fā)射器發(fā)出的波束偏移角進(jìn)而推算出介質(zhì)的流速田忐種方法適用于流體流速較大的情況但在低流速情況下其測(cè)鼠靈敏度低，測(cè)量誤差較大而且響應(yīng)慢抗干擾能力也弱.本文基于兩個(gè)超聲波波源的雙超聲波干涉原理并利用介質(zhì)流動(dòng)造成的偏移效應(yīng)測(cè)量流體流速.為了提高測(cè)

6、量精度還用計(jì)算機(jī)模擬和分析了流體流速和超聲波信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系并利用QASSy系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)氣體的流速進(jìn)行了測(cè)量.雙超聲波干涉偏移法在測(cè)量流體低流速情況下具有優(yōu)勢(shì)而且其對(duì)多變的流速響應(yīng)較快.測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的時(shí)效性也較強(qiáng)-1雙超聲波干涉偏移原理1. 1干涉方程如圖1所示設(shè)有兩個(gè)發(fā)射正弦波的相干波源超聲換能器太和&靠距其所在直線距離為I.的位置有一個(gè)接收器RJW為通過(guò)流體介質(zhì)的玻璃管道凋中u為流體流速-1、分別為兩個(gè)相干波源到接收器的距離q為兩波源的間距X為接收器橫向中心軸和兩波源對(duì)稱軸的位移-其中v為波速£為波頻率-AL為兩束波到接收器位置的波程差3.=|LJ|A根據(jù)圖1可以推導(dǎo)出二句=

7、+x：y+ug（號(hào)敘亍+二由于波源的方向性和超聲波在傳播中的衰減，AM。一般隨方向角和距離變化則在該點(diǎn)的合振動(dòng)強(qiáng)度有效值為I=V+yacL+2yiyaCiJ考慮積分時(shí)間T遠(yuǎn)大于振動(dòng)周期布二£y¥ct=T同時(shí)J.y，火旦作余弦函數(shù)的積化和差J弋入弋得到圖I雙超聲波干涉偏移法原理示意圖兩相干波的振動(dòng)方程分別為yi=Aicx»C>L+*>、4>火=AaCEEPJl-+（i）o+JOI=+AlAacefit'ALJ3其中召，由4>弋給出-2計(jì)算機(jī)模擬與分析對(duì)代入初始條件原型實(shí)驗(yàn)的環(huán)境變量卜同>固定Ai和AzJHWdfcm作出Tx的圖像

8、如圖對(duì)該圖中第一極小值處進(jìn)行放大局部范圍內(nèi)可認(rèn)為Ai。?變化不大四I和Aa取不同比值時(shí)可得圖2<GAQ_從圖中可以看出無(wú)論兩者比值如何在極小值點(diǎn)兩側(cè)均有段區(qū)域線性度較高-對(duì)圖2W種情況求出I的導(dǎo)函數(shù)藥到圖2會(huì)磚-（a）強(qiáng)度示意圖（m=/h）0.0000.0020.0040.006O.OOK<).010x/m(d)R部放大圖(.4,-154:)（e）尚度導(dǎo)函數(shù)府部圖像（4.-40圖2信號(hào)強(qiáng)度隨位移變化的模擬圖像由計(jì)算機(jī)模擬和分析可知在零級(jí)兩側(cè)線性度d2如果x和d比L小一個(gè)數(shù)量級(jí)及以上則可以認(rèn)為+C2<7>性度較高的區(qū)域作為工作區(qū)間-由于xd匕時(shí)式近似為代入。>弋得到

9、I=/_±Ag<)1O在W相差不大的情況下嶺A=f=AJTT以進(jìn)一步簡(jiǎn)寫(xiě)(T設(shè)無(wú)氣流時(shí)的接收器位置為X稱為工作點(diǎn).設(shè)工的第一極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置為Xm-取_v打+4L?e_4dT線性近似的匚作方程歹以*示為O2><43>信號(hào)發(fā)生器離心風(fēng)機(jī)接收褓放大歸CASSY控耕模塊儀器系統(tǒng)布局示意圖3.1.1QASSTLt>CASSrLdz»系統(tǒng)是I公司開(kāi)發(fā)的、支持8S&/系列傳感器和采集模塊的軟件-通過(guò)國(guó)軟件可以直接測(cè)雖發(fā)出和接收聲脈沖的時(shí)間差-將計(jì)算機(jī)的串行通信接IICASSLdo系統(tǒng)采集模塊連接誠(chéng)可利用CASST系統(tǒng)中的傳感器自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-同時(shí)

10、還可用該軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)取工作方程斜率-k=12*XXm處理-極大地方便了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量與處理-3.1.2主要參數(shù)S實(shí)驗(yàn)中主要儀器參數(shù)及環(huán)境數(shù)據(jù)見(jiàn)表1-流速和信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系為較高-1.3波束偏移效應(yīng)當(dāng)介質(zhì)以垂直于發(fā)射器、接收器正對(duì)方向的速度li流動(dòng)時(shí)QL圖1其攜帶的聲波將發(fā)生漂移鍛漂移距離為Ax*項(xiàng)JAx=UsV其中S為一束聲波i從發(fā)射器到接收器的傳播距離-當(dāng)UV時(shí)刀以忽略導(dǎo)的變化-當(dāng)接收器位于X位置時(shí)危：K可寫(xiě)成VIAx,=VX和x無(wú)關(guān)到Ax=氣iV在接收器所在的橫向直線上這表現(xiàn)為干涉圖像的漂移J1漂移距離和介質(zhì)流動(dòng)速度U成正比-2近似方程和測(cè)量方案1. 1近似方程在實(shí)際測(cè)量時(shí)如果信號(hào)和被

11、測(cè)鼠存在或近似存在線性關(guān)系將大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中的復(fù)雜程度.由前述的討論可知可以選擇第零級(jí)兩側(cè)線kl.2. 2測(cè)量方案分析當(dāng)前條件下介質(zhì)中的聲速需要事先測(cè)量得到本文利用QASS/系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)得-另外湖I度變化會(huì)導(dǎo)致聲速變化.考慮空氣和氣溫對(duì)聲速變化起主要作用-一般來(lái)說(shuō)病于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓B6濕度、GM%的06濃度的空氣3>15C和35C的聲速誤是為3.7%-對(duì)J'液態(tài)水"根據(jù)J.等的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算3.15C和W的聲速誤差為3.6%-所以在精度要求不高的工業(yè)應(yīng)用中習(xí)以不予考慮3-但在精度要求較高的場(chǎng)合下希要對(duì)5>七中的聲速v進(jìn)行溫度修正到函<06>為了

12、簡(jiǎn)化測(cè)雖，木文在實(shí)驗(yàn)時(shí)保證r在恒定溫度下測(cè)量所以花計(jì)算時(shí)不考慮溫度的影響-3實(shí)驗(yàn)與分析3. 1儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng)主要包括Ldo系統(tǒng)平臺(tái)B3/V離心風(fēng)機(jī)和816型風(fēng)速計(jì)爭(zhēng)中QASSYL>系統(tǒng)平臺(tái)主荽由控制器信號(hào)發(fā)生器敬大器和換能器等儀器組成-圖3為整個(gè)儀器測(cè)量系統(tǒng)示意圖-表1主要參數(shù)U零級(jí)峰值電壓/V816型風(fēng)速儀箝度/%壞境溫度/%4.922.0951.433±5222. 2實(shí)驗(yàn)與分析3.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在無(wú)風(fēng)情況卜先測(cè)量接收器所在直線上的信號(hào)強(qiáng)度最大值出I零級(jí)峰值ye等在信號(hào)發(fā)生溶無(wú)輸出的情況下測(cè)量背景噪聲yg調(diào)整接收溶位置吏干涉強(qiáng)度約為峰值一半剖星信號(hào)記為g。-啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)以不

13、同轉(zhuǎn)速使換能器間的空氣基本勻速流動(dòng)分別測(cè)量信號(hào)發(fā)生器有輸出或無(wú)輸出下的接收器信號(hào)強(qiáng)度和yg。,并用風(fēng)速計(jì)測(cè)量空氣流速!_5確定誤差12站考慮測(cè)量誤差以及風(fēng)速計(jì)標(biāo)稱準(zhǔn)確度舟口-在空氣流速為1_1的情況下?tīng)?zhēng)干涉強(qiáng)度QA電壓表示為丫。=y氧<J7>零級(jí)峰值強(qiáng)度為<)<)=yiupcy<iikO183.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果取工作斜率k=-2!6CM4n更中A用匕W代入由可求得氣體流速?gòu)V15Ll2為信號(hào)強(qiáng)度和氣體流速測(cè)量數(shù)據(jù).表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)s1AtC.>VtZns1相對(duì)誤差/%OO0.0O8B20.00o1.50.10.8361.8B25.33.00.2O.-D2351.74

14、.60.2O6B14875.96.00.4O.61A6.3D8.37.60.50.5®BCD6.59.00.6O.4S59.M7.1TO.40.60.45110.450.512.008O3B711.990.11320.90.32313.E52.7W.80.9O.23D1.416.01.0O.2T716.130.8空氣流速U和風(fēng)速計(jì)測(cè)雖空氣流速Ug曲線圖見(jiàn)圖4-山式3&計(jì)算得出的空氣流速U和用風(fēng)速計(jì)測(cè)量空氣流速比較曲線圖可見(jiàn)洲者測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合-平均相對(duì)誤差為5.5%-3.2.3誤差分析本實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源于所使用的標(biāo)定儀器尤其是816型風(fēng)速儀出測(cè)量頭體積較大。；葉式設(shè)計(jì)圖4

15、流速比較影響靈敏度g由實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同風(fēng)速進(jìn)行了多次測(cè)量獲得了比較理想的數(shù)據(jù)，并采用了多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)減小風(fēng)速測(cè)量帝來(lái)的誤差-實(shí)驗(yàn)中貝機(jī)剛剛開(kāi)啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率約為18叱KJ明顯的噪聲信號(hào)隨著風(fēng)速變大該信號(hào)頻率變化不大.由于測(cè)量流速通常不需要讓換能器間隔很大距離起聲波在介質(zhì)中傳播的衰減不明顯或采用更高頻率的換能器將有助于減小誤差-實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)誤差來(lái)源于系統(tǒng)平臺(tái)的硬件條件懷文采用的是4OUH2的超聲換能器-在管道中左右的環(huán)境噪聲最強(qiáng)臼心-雖然本實(shí)驗(yàn)中各組數(shù)據(jù)已經(jīng)減去相應(yīng)的環(huán)境噪聲強(qiáng)度但是噪聲對(duì)超聲波干涉波形產(chǎn)生的影響是無(wú)法消除的臼山-為了減小這些誤差疫驗(yàn)中利用寬拾音范圍的麥克風(fēng)和示波器在切斷

16、換能器信號(hào)源的情況下對(duì)風(fēng)道噪聲進(jìn)行了定性測(cè)定-4總結(jié)利用雙超聲波干涉偏移法測(cè)量流體流速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)方法簡(jiǎn)單、測(cè)量響應(yīng)快能測(cè)星低流速下的流體介質(zhì)的流速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明推導(dǎo)出的近似公式的線性度較高.如果需要進(jìn)一步擴(kuò)大刪量范圍則可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合這將是下一步研究的重點(diǎn).另外.本系統(tǒng)以換能器輸出電壓為被測(cè)量故其絕對(duì)誤差不受風(fēng)速的限制.一定范圍內(nèi)流速和電壓的關(guān)系可以作線性近似處理-本裝置己經(jīng)中請(qǐng)到國(guó)家發(fā)明專利.參考文獻(xiàn)李茂山.一神牯確測(cè)*超聲波速按的方法瑚聲波干涉測(cè)算:聲速EQ實(shí)用測(cè)試技術(shù)J9SBC3巨周天賜刷：水橋.基于超聲波干涉的擬合法計(jì)紹聲速及其誤差分析匚浙江大學(xué)學(xué)報(bào)3?學(xué)版：811（下轉(zhuǎn)第

17、66頁(yè)）4結(jié)論<4）分析了減振器非磁性液缸內(nèi)磁性液體的頻率與外加磁場(chǎng)間的關(guān)系并得到頻率的計(jì)算表達(dá)式.>當(dāng)外部振動(dòng)頻率變化時(shí)9卜加磁場(chǎng)使得磁性液體固有晃動(dòng)頻率與激勵(lì)頻率之比為某一定值時(shí)減振效果最佳因此調(diào)諧式磁性液體減振器能在較寬的頻率范圍-直保持減振效果最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論致性較好.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)展振器液缸內(nèi)磁性液體液深不變外加磁場(chǎng)能夠改變磁性液體固有晃動(dòng)頻率從而達(dá)到最佳減振效果的基礎(chǔ)上使得減振器減振效果隨磁場(chǎng)增大略有提升.參考文獻(xiàn)E3陳套.李愛(ài)抑-張志強(qiáng)各.自立式高聳結(jié)構(gòu)愁吊我TMD誠(chéng)振助E3糖專掀胃5¥矗唁程赭磁?1所始魂¥8振探討B(tài)塢JE程與程振

18、動(dòng).2D140V1河1RTOM8HAOXXNGHEwTCNGFEIGE-MZMOUNCONG.采用萬(wàn)向支架陀蝶儀的高段結(jié)構(gòu)誠(chéng)振控制研充匚口01律僧襯專程:男.半主動(dòng)變剛度-n_co政振控制的研究B振動(dòng)與沖擊-2012-3185X564&孔令倉(cāng).李立.王澤軍名.調(diào)諧液體阻尼器對(duì)高層結(jié)構(gòu)抗箴性團(tuán)瓣乎按曹甲泳嗤結(jié)般砌淬劇振施與數(shù)值口.>模擬J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)20153613X313&ZHANGZ-ST7WOA-BASUBcfESGasrtUTeclcferrp»sCn_IZte1o-Mfc»fc>T<x>*tKlI.tqcfsvvcttLtt

19、iresLurgtctOArrst621鐘振寧.樓文娟.設(shè)置非等戴面neo高層建筑在風(fēng)荷我作用下誠(chéng)報(bào)分析U1浙'.大學(xué)學(xué)報(bào)C.學(xué)版>-2O13-47>»CB1GICS763YAOJ-CHANGJ-LID-<t«IPecirCTTwsserSaGrxrflLidjucKsfcujtocr-L_C1UtxrrKflcfMefxtagn&h/fxtx-2D16-C2SECB3.日Oil李德才.磁性液體理論及應(yīng)用QQ北京*1學(xué)出版社23C8.Ei劉鸞莉析慶浙-楊文榮.娥性液體微壓差傳感囂動(dòng)志建模研究ca電工技術(shù)學(xué)報(bào)-Rig刊ixs2B2謝召.李德才

20、.邢延思.新型破性液體微壓差傳感器的設(shè)計(jì)及耐壓分析B儀器儀表學(xué)報(bào)-2CH5-36>a3K2D12MUOHNOK-SHIMCDAM-SWADAT.心8ftradRxfcfdiTtjyi-iJjmlomEvtiflLidvsAticFvdxlKomExftiCflJFbvsCtrcirBMto-2X8-2DD>23TV45G43J.一薦德才.E慶宙.成性液體阻尼M振器的設(shè)計(jì)與實(shí)駛研究CU栽人航天-2D13,19C5>7XP9.(553ROtfch/VtlMRE.rnEjxti-flLicfeCjZlNew1006-2D=W6GW8.BelBASHTovarv-lavrovao.m

21、itkovatFfcwxi<drt>cju<xtKTi£»o_rd音prrrrrTtrtimE<±JL£lJbcrrciMtcrfcfc-23CE5-2393DC21OB70BASHTOVOVGKABACHh»<OVDNKOLCBOVAYat口.FBBad-tcFthecnaTBScfmnStiz7flc4/TErri2«>ter-Q3CR252<5>=3123BW.GaZIYANGX.YANGQYANGW土H.axicjiTvmefendiK4A2Ictarj»匕Horrli

22、rtJCtrferrot;cr»EirtriiJtvt«fw«aserd2DT7=C5.-j日母楊文榮王強(qiáng)-秦佳峰驀.基于磁性液體的寂振技術(shù)研究J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)-2013-280?刊1X8SQ洞梁?jiǎn)⑸裥芸∶?黃慶輝.調(diào)諧液體阻尼器對(duì)高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)控制研究綜述B世界地震工程.2m-iaCi>=23328,2316-126ZH-EB31.上接第61頁(yè)）耳丁向輝-李平??；曉禪.高精度超聲M速測(cè)盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)B儀發(fā)技術(shù)與傳螃2S-2011。海3»4羅守南，基于超聲多普勒方法的管道流量測(cè)電研咒正口.北京新華大學(xué).208盡黃永峰.時(shí)差式超聲流fit計(jì)新測(cè)量方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)£»哈爾濱聚爾濱T.程大學(xué).200763梁國(guó)偉探武昌.流量測(cè)H技術(shù)及儀表RiU北京WLWi工業(yè)出版社-23Ce&3CRAMBEO.