超聲波多普勒流速測量方法的信息窗區(qū)域控制研究.docx

1、第35卷第5期2001年5月Vol.35Nq5May2001西安交通大學(xué)學(xué)報JOURNALOFXI'ANJIAOTONGUNIVERSITY文章編號：0253487X(2001)05*045594超聲波多普勒流速測量方法的信息窗區(qū)域控制研究李昕1,王子延2（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，710049,西安；2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）摘要：通過對超聲波多普勒信息窗區(qū)域的控制，實現(xiàn)了管流內(nèi)部流速的分區(qū)測量.研制出的發(fā)射傳感君和接收傳感器，能夠分別產(chǎn)生細(xì)長的發(fā)射聲束和接收聲束，使信息窗區(qū)域面積能夠控制在很小的范圍內(nèi)，位置也被控制在設(shè)計值處，滿足了分區(qū)測量的要求，設(shè)計的模擬管道流動裝

2、置，能夠提供管it流動截面上某一小區(qū)域上的流速，為分區(qū)測量提供了信號源.成功地進行了信息窩區(qū)域面積的控制和位置的實驗測量，測量值與設(shè)計值吻合得很好，關(guān)健伺：多普勒效應(yīng)；超聲波傳感參;散射回波中圖分類號：R443文獻標(biāo)識碼：AInvestigationonControllingtheAreaofInformationWindowbyDopplerUltrasonicMethodLiXin1,WangZiyan2(I.School&EtectricalEngineering,Xa'anJiaotongUniverity,Xian710049,lun»2.SchoolofE

3、nergyandPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniveraiiy)Abstract:AmethodtomeasureflowvelocityinaspecialregionbyoontrtlingtheinformationwindowofaDopplerultrasonicflowmeterispresented.Asetofemitterwhichslenderizetheacousticwavehasbeendesigned,andalsoasetofreceiverwhichselectthescatteredacousticwaveaccord

4、ingtothepositionofthescatteringpaniclehasbeendesigned.Inthiswaytheinformationwindowcanbepositionedinasmallareainadesiredposition.Experimentwasgonebymeasuringthevelocityofsmallbubblesandthemeasuredvalueisveryclosetothesetvalueofthebubbleemitter.Keywords：Dopplereffectultrasonicsensor；scattering-uxive當(dāng)

5、超聲波聲源和反射界面或散射體之間存在相對運動時，被反射或被散射的超聲波信號的頻率將產(chǎn)生彎化，該頻率與聲源超聲波頻率之間的差值與相對運動的速度成正比.這一現(xiàn)象是物理學(xué)家ChristianDoppler于1842年首次發(fā)現(xiàn)的，被稱為多普勒效應(yīng)【卜3.接收信號的頻率與聲源的原率之差稱為多普勒頻移.相應(yīng)的頻差值號稱為多普勒信號.當(dāng)流體中存在著可供反射或散射超聲波的跟隨粒子（例如植氣泡、固體粒子等）時,便可利用多普勒信號確定流體的速度與流量.圖la所示為傳統(tǒng)超聲波多普勒流量計流速測量的工作原理示意圖，發(fā)射換能器的發(fā)射區(qū)域與接收換能器的接收區(qū)域的重疊部分就是大面積信息窗區(qū)域，在此區(qū)域的散射粒子或微氣泡的流

6、動將會產(chǎn)生多普勒頻移.通過對此頻移信收稿日期：200006-07.作者簡介：李昕（1968-）,女，博士生;王子延（聯(lián)系人），男，教授，博士生導(dǎo)師.基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（59676033）.號的采集和計算，就可以得到此區(qū)域中流體的平均流速和流量.在工業(yè)輸送管道的流蕾測量中，流動狀態(tài)可分為層流和紊流.層流狀態(tài)的流速以拋物線形分布，而紊流狀態(tài)的流速以對數(shù)形分布.傳統(tǒng)的超聲多普勒流量汁測量的結(jié)果是大面積區(qū)域內(nèi)具有統(tǒng)計意義的平均流速，不能反映出流速分布的變化.當(dāng)雷諾數(shù)變化很大時（例如由層流向紊流變化的過程中），流量的測量誤差就會增大.本文主要針對管流斷面上流速分布的不-致性,提出對超聲波

7、多普勒信息窗區(qū)域進行控制，使信息窗區(qū)域的面積被控制在相對小的范圍內(nèi)，并且使信息窗區(qū)域分布在管流截面的不同位置上，如圖lb所示.通過測量信息窗1、2、3區(qū)域內(nèi)的流速來獲得整個管流截面上的流量，這樣不僅可以提高多普勒流量計的測量精度，而且還可以得到整個管流截面上流速的分布狀況.該方法具有較高的創(chuàng)新性.1基本理論1.1聲壓強度傳播理論當(dāng)半徑為a的圓形超聲波源置于無衰減的彈性介質(zhì)中時，若其表面上每個質(zhì)點都可看作是以相同振幅和相位作諧振動的點源，則在介質(zhì)中每一點的聲壓都可以認(rèn)為是由點源在該點產(chǎn)生的聲壓的登加，如圖2所示.在活塞壓電晶片表面上，任取一面元d5作為點源，它在距其為r處的A點產(chǎn)生的聲壓可以表示

8、為（1）式中：P0為介質(zhì)密度；如為聲波在介質(zhì)中的傳播速度;J1為一階貝塞爾函數(shù).從式（1）可以看出，聲場中某點處的聲壓強度與該點到聲源的距離成反比，即聲場強度隨著發(fā)射聲束的傳播而逐漸減弱，1:發(fā)射換能器;2：接收換能胡】3：基底;4：管道壁$5：敷射物子或嫩氣泡:6：倚息體（8）工作原理示意圖1：發(fā)射換能器;2：援收換能器組；3：信息窗區(qū)域1、2、3;4：管道（b）m息窗分布圖1超聲波流量計原理圖2J】（如sin。）如sin。1.2換能昌指向特性由式（1）可知，活塞換能器聲場的聲壓不僅隨距離r和時間I變化,而旦與方向角。有關(guān)，換能器聲場中聲壓的指向因子當(dāng)ka值不同時,聲源的指向性也不同.當(dāng)超聲

9、頻率越高、壓電晶片直徑越大、如越大時，輻射聲束角8就越小，即指向性越明顯，但是當(dāng)超聲頻率比較低時，其指向性差，發(fā)射張角大.本文的研究內(nèi)容之一就是要減小傳感器聲束的張角.2傳感器的研制超聲波多普勒流量計的技術(shù)難點和關(guān)鍵問題之457李昕.等:超聲波多普勒流速測方法的信息窗區(qū)域投制研究一是傳感器的性能，即發(fā)射與接收傳感器的傳輸特性.本文所研究的問題是將發(fā)射聲束與接收聲束進行匯聚.對兩束聲束交叉的區(qū)域進行研究.交叉的區(qū)域即為流速分區(qū)測量的信息窗，信息窗的分布范圍與分布位置對流速分區(qū)測量至關(guān)重要分區(qū)測量的關(guān)鍵問題是:信息窗尺寸相對于管流直徑足夠小，才能達到分點測量的效果;信息窗位置必須能夠確定，以實現(xiàn)定

10、點測量.解決問題的途徑主要有2條：一是從傳感器的結(jié)構(gòu)上進行研究；二是從后級處理電路上進行研究.本文的重點在于討論前一種方法，即通過理論分析來設(shè)計傳感器，并通過實驗來不斷改進和完善.21發(fā)射傳感器的研制由于換能器發(fā)射聲束的張角比較大，因而考慮在其前端加裝一塊有機玻璃聲導(dǎo)，以改善發(fā)射聲束.在前期的實驗工作中,先后考慮過3種聲導(dǎo)，分別為圓柱體換能器聲導(dǎo)、變幅桿換能器聲導(dǎo)和平凹透鏡換能器聲導(dǎo).實驗結(jié)果表明：圓柱體換能器聲導(dǎo)發(fā)射的聲束成發(fā)散狀，即沿著聲波的傳播方向,聲束逐漸變寬，因擴散角較大，指向性不能滿足要求；變幅桿換能器聲導(dǎo)發(fā)射的聲束在近場相當(dāng)窄，在3種換能器中最細(xì).但張角很大，隨著聲波的傳播，聲束

11、直徑迅速擴大,它的指向性在3種換能器中最差;平凹透鏡換能器聲導(dǎo)發(fā)射的聲束近似平行，隨著聲波的傳播，聲束寬度變化不大，張角很小，指向性最好.通過大量地實驗，最終選擇平凹透鏡換能器聲導(dǎo)作為發(fā)射傳感器.2.2接收傳感器的研制當(dāng)聲源發(fā)射的超聲波在水中傳播時，遇到散射粒子就會發(fā)生散射".散射波由接收換能器接收.散射波向四面八方傳播，各個方向的散射信號聲壓都有一定的強度,指向性不明顯.本文經(jīng)過大量的實驗研究和探索，成功地設(shè)計了一個方向選擇透鏡來選擇接收聲束的方向.將此透鏡安裝在接收端壓電換能器前端，使得只有傳播方向為一特定角度的聲波才可以穿過透鏡，其他角度的聲波將被衰減而無法穿過透鏡，見圖3.接

12、收傳感器由壓電換能器、方向性選擇透鏡和斜面聲摸構(gòu)成.發(fā)射傳感器端的超聲波換能器的頻率為1MHz.方向性選擇透鏡由柱狀聲楔和吸聲材料構(gòu)成（圖3中的陰影部分），其中柱狀聲楔的長度為兩端均粘貼有圓環(huán)型吸聲材料，圓環(huán)寬度為入，圓環(huán)中間就是透過窗,2個透過窗均由線接觸產(chǎn)生，面積非常小，它們的位置對聲射線方向具有選擇性.只有恰好穿過2個透過窗的射線才可以直接到達接收端壓電換能器，而沿著其他角度人射的聲射線均被衰減.當(dāng)散射回波信號沿軸向穿過時.聲壓將沿半徑方向衰減，形成一條很細(xì)的散射回波信號聲束，即接收聲束,因此，安置了方向性選擇透鏡后，接收到的信號聲束將會局限在一條狹窄的區(qū)域內(nèi)，這樣接收區(qū)域與發(fā)射區(qū)域的匯

13、聚部分（信息窗區(qū)域）將會很小.斜面聲楔的斜面角為們P的選取對于接收傳感器的效果也有影響，必須選擇適當(dāng)?shù)氖鞘沟眯畔⒋皡^(qū)域足夠小，信號足夠強.圖3方向選擇透鏡原理示意圖3實驗裝置與結(jié)果分析3.1實驗裝流體中的氣泡或其他微粒隨流體移動時可以產(chǎn)生多普勒頻移，同樣在靜止的水中沿垂直方向從下向上發(fā)射氣泡束，也可以模擬垂直方向的液體流動.這種方法的優(yōu)點在于，氣泡束不僅可以模擬流體的運動，而且還可以通過氣泡束本身的位置，確定出其所模擬的運動速度表示管道截面上哪一塊區(qū)域的流動速度.實驗裝置如圖4所示.5個微氣泡發(fā)射細(xì)管沿直徑方向均勻分布,供氣調(diào)節(jié)開關(guān)可以分別對其供氣.每次只接通一路細(xì)管,使其能在不同的位置產(chǎn)生

14、沿著管道軸線方向的氣泡束，從而模擬出管道截面中不同位置處沿著軸線方向的流動.發(fā)射傳感器固定,Ho為62mm.接收傳感器沿著垂直方向可上下移動，Hi為可變值，當(dāng)移動接收傳感器時，信息窗區(qū)域位置就會改變.當(dāng)Hi為76.5mm時，信息窗區(qū)域調(diào)整在中心軸線上，剛好覆蓋中心細(xì)管所發(fā)射的軸向氣泡束產(chǎn)生的被測信號小區(qū)域（見圖4）.依次類推，改變接收傳感器的位置，可以使得信息窗區(qū)域覆蓋每一個細(xì)管所發(fā)射的軸向氣泡束產(chǎn)生的被測信號小區(qū)域.3.2實驗結(jié)果實驗結(jié)果如圖5所示，X和Y表示2個互相正1:接收傳感器:2：發(fā)射傳感器;3：容脖;4；平臺15：微氣泡發(fā)射編管圖4實驗裝置圖位置Hi測量值計算值165.011.51

15、0.9138268.016.514.0827376.521.023.0614480.028.026.7363584.034.033.8147表1信息窗位豆的瀏量結(jié)果與計算站果比較mm面上的位置，同時通過實驗方法也可以測量出該位置表1是信息窗位置的測量結(jié)果與計算結(jié)果的比敦情況.其中，測量值表示信息窗區(qū)域的中心點與管道壁的距離.交的沿管道截面徑向移動的方向，Z方向表示信息窗區(qū)域內(nèi)信號的無量綱聲壓強度(即區(qū)域內(nèi)所有信號的測量值與最大值之比).3塊區(qū)域A、B和C分別代表Hi為68.0mm,76.5mm和80.0mm時的信息窗區(qū)域，面積&等于2、0mmX4.5mm,Sb等于2.1mmx4.8mm

16、,Sc等于2.2mmx4.7mm,被測量的管道內(nèi)徑為42mm,該區(qū)域的大小基本可以滿足分區(qū)測量的要求.本裝置可以測量5個區(qū)域,另外2個區(qū)域與圖5所示的情況相似，未在圖5中示出.圖5實驗結(jié)果微氣泡發(fā)射細(xì)管的壓力由多重閥門的調(diào)節(jié)來確定，氣泡的速度由壓力確定，在本實驗中，微氣泡模擬的流速為100m/s左右,每個細(xì)管的壓力相同，提供給測量點處的流速均相同，因而測量得到的信號的平均頻率也相同、根據(jù)發(fā)射和接收傳感器的幾何尺寸，以及它們在管道上的位置，可以計算出測量信息窗在管道截4結(jié)論(1) 通過對超聲波傳感器進行研制.實現(xiàn)了對發(fā)射聲束的聚焦和接收聲束的選擇，獲得了對信息窗區(qū)域的控制.(2) 設(shè)計出的模擬管道流動裝置，可以提供管道流動截面上某一小區(qū)域上的流速，為分區(qū)測量提供了信號源.(3) 測量信息窗覆蓋的被測小區(qū)域，就可以得出管道流通截面上的流速分布情況，為準(zhǔn)確地計算出整個管道的流速和流量打下了技術(shù)基礎(chǔ).(4) 信息窗區(qū)域位置的計算值與測景值比較吻合，說明該方法可以實現(xiàn)對管道流通