發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 22:16

　　 液體超聲流量計(jì)根據(jù)安裝使用方式不同可分為管段式、插入式和外夾式三大類。其中,管段式與插入式的換能器與測(cè)量介質(zhì)直接接觸,聲能損耗小,信號(hào)質(zhì)量佳,測(cè)量精度高,但換能器直接與待測(cè)液體接觸,使得儀表耐壓、耐腐蝕性受限。相比之下,外夾式的換能器不與液體相接觸,在耐壓、耐腐蝕等方面具有優(yōu)勢(shì),但超聲信號(hào)要穿過耦合層、管壁等固體介質(zhì),聲能損耗大,信號(hào)處理難度更高,且長(zhǎng)期夾持測(cè)量可靠性差。本論文提出了一種激振源內(nèi)嵌式寬波束液體超聲流量傳感方法,其特點(diǎn)為激振源內(nèi)嵌于不銹鋼管壁中并與管壁緊密貼合,激振源在外加電壓作用下振動(dòng)產(chǎn)生的超聲信號(hào)可在管壁內(nèi)外表面不斷反射并向前傳播,形成較大的聲波激發(fā)區(qū)域,產(chǎn)生一種“寬波束”效果。該方案兼顧了傳統(tǒng)管段式與外夾式的優(yōu)點(diǎn),并利用寬波束避免氣泡、顆粒等雜質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響,具有耐高壓、耐腐蝕、高可靠、高精度的優(yōu)點(diǎn),可為能源、化工、液壓、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域廣泛潛在應(yīng)用市場(chǎng)提供完善的流量測(cè)量與傳感方案。文中設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了激振源內(nèi)嵌式寬波束液體超聲流量傳感模塊,驗(yàn)證了激振源內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的有效性與寬波束激發(fā)技術(shù)的可行性,為后續(xù)實(shí)用型傳感器整表研制奠定了基礎(chǔ)。論文主要內(nèi)容為:1.激振源內(nèi)嵌式寬波束板狀測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與寬波束產(chǎn)生機(jī)理研究。選取板狀結(jié)構(gòu)作為原理模型,研究了斜入射縱波在固液交界面上波型轉(zhuǎn)化、透射能量與反射能量變化,結(jié)合平板Lamb波激發(fā)理論及激振源表面振動(dòng)分布分析,確定了板狀結(jié)構(gòu)的材料和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。2.激振源內(nèi)嵌式寬波束板狀測(cè)量結(jié)構(gòu)有限元仿真分析。借助有限元軟件COMSOL構(gòu)建仿真模型,測(cè)試聲束的作用范圍,觀測(cè)流速、氣泡雜質(zhì)等對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生的影響,驗(yàn)證了不銹鋼內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。3.激振源內(nèi)嵌式寬波束管段測(cè)量結(jié)構(gòu)及二次電路設(shè)計(jì)。將板狀結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果應(yīng)用到管段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,介紹了激振源內(nèi)嵌式管段測(cè)量結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。為了對(duì)渡越時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)制作了以MSP430、TDC-GP21為核心,采用sallen-key二階有源濾波放大的電路模塊,并提供了基于GP21遮罩功能的輔助信號(hào)與流場(chǎng)信號(hào)雙信號(hào)同步測(cè)量方法。4.寬波束關(guān)鍵性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)并完成三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn),分別是寬波束有效范圍實(shí)驗(yàn),不同溫度下接收信號(hào)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),輔助信號(hào)與流場(chǎng)信號(hào)零點(diǎn)溫飄實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)證明了激振源內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾能力和穩(wěn)定性,為后續(xù)可實(shí)用的傳感器整表研發(fā)提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH814
【部分圖文】：

式和頻差式）、波束偏移式、多普勒式、相關(guān)式等幾種類型［６１，最常見的是時(shí)差式與多逡逑普勒式。逡逑圖１．１給出了時(shí)差式超聲流量計(jì)測(cè)量原理圖，待測(cè)液體以速度ｖ自右向左流動(dòng)，換逡逑能器發(fā)射的超聲波在傳播過程中，實(shí)際速度為靜止流體中聲速與流體流速矢量疊加，因逡逑此順流渡越時(shí)間《＾與逆流渡越時(shí)間（２是不同的，精確測(cè)得時(shí)間差后通過計(jì)算便可以得到逡逑液體流速。逡逑Ｉ邐換能器１逡逑［Ｉ邐ｔ／Ｚ＞ｓ６逡逑ｊ邋＾逡逑姞器５逡逑Ｉ逡逑圖１．１時(shí)差式測(cè)量原理簡(jiǎn)圖逡逑在圖１．１中，順流渡越時(shí)間逡逑Ｊ／ｃｏｓ＾邐（１１）逡逑ｃ邋＋邋ｉ；ｓｉｎ０逡逑逆流渡越時(shí)間逡逑ｄ／ｃ0ｓｅ＿邐（１．２）逡逑ｃ邋—邋ｖｓｉｎ？逡逑順逆流時(shí)間差逡逑２逡逑

邐ｙ逡逑圖１．２超聲波熱量表流量測(cè)量模塊原理簡(jiǎn)圖逡逑圖１．３為ＳＩＥＭＥＮＳ公司推出的ＷＳＭ５２５－０Ｅ型超聲波熱量表。該產(chǎn)品帶有Ｇ１管逡逑螺紋，測(cè)量流速上限為２．５ｍ３／ｈ，精度等級(jí)為二級(jí)，工作壓力低于丨．６Ｍｐａ，測(cè)量溫度逡逑范圍０？９０攝氏度，儀表工作溫度上限為１８０攝氏度，內(nèi)置鋰電池使用壽命大于１１年［｜（）１。逡逑，逡逑圖Ｉ．３ＷＳＭ５２５－０Ｅ超聲波熱量表逡逑插入式超聲流量計(jì)工作原理與管段式相近，在此不作重復(fù)舉例。逡逑（２）外夾式超聲流量計(jì)逡逑圖１．４為美國(guó)ＯＭＥＧＡ公司生產(chǎn)的ＦＤＴ－２１外夾式液體超聲流量計(jì)，標(biāo)稱測(cè)量精度逡逑為１％，線性度為０．５％，可以適用各種金屬材料、大部分塑料及坡璃纖維的管路材質(zhì)。逡逑由于有多種規(guī)格的外夾式換能器探頭可供選擇，因此對(duì)于２０？１００ｍｍ管徑的管路均可逡逑測(cè)量

邐逆流傳播逡逑圖１．８寬波束流量計(jì)在不同流速下順逆流超聲波信號(hào)發(fā)射點(diǎn)［｜８１逡逑圖１．８是Ｃｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏｎ官方手冊(cè)中關(guān)于寬波束超聲流量計(jì)在零流速、高流速下順逆逡逑流的超聲波信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位置示意圖。從圖中可以看出，有效測(cè)量信號(hào)并非直接來源于激逡逑發(fā)換能器，而是來自于管壁，也就是說，管壁作為振源產(chǎn)生了超聲信號(hào)。因此，回過頭逡逑來考慮寬波束原理相關(guān)手冊(cè)中所強(qiáng)調(diào)的換能器頻率與測(cè)量管段頻率相匹配這一要求，實(shí)逡逑際上是為了激勵(lì)管壁振動(dòng)達(dá)到最大，產(chǎn)生良好的測(cè)量信號(hào)。逡逑換能器２邐換能器１邐換能器２邐換能器１逡逑＼邐／聲路１邐聲路２邋＼邐／逡逑圖１．９寬波束在零流速下的兩種聲信號(hào)傳播路徑逡逑觀察圖１．８中順流傳播與逆流傳播零流速時(shí)超聲信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)二者都是由激發(fā)換逡逑能器產(chǎn)生，先在管壁中傳播一段距離，之后擴(kuò)散進(jìn)入液體，經(jīng)一次反射后到達(dá)接收換能逡逑器。理論上還存在另一種傳播路徑，如圖１．９右圖所示，超聲信號(hào)從激發(fā)換能器處進(jìn)入逡逑液體

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本文編號(hào)：2822245