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超聲波流量計示值不準_基于DSP的超聲波流量計的研究

發(fā)布時間:2016-12-07 15:23

  本文關鍵詞:基于DSP的超聲波流量計,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


  摘要:超聲波流量計因為具有不接觸被測介質等優(yōu)點,已經(jīng)被不斷研究并應用在許多領域,發(fā)揮了巨大的作用。設計了基于DSP,以多普勒效應為原理的超聲波流量計,完成了硬件設計和軟件設計。最后對FTR數(shù)字濾波器和FFT算法進行了仿真,證明了方案的可行性。

  流量測量與人們的生活息息相關。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時,人們就已經(jīng)開始關注灌溉水的流量測量了。現(xiàn)在,流量測量在工業(yè)生產(chǎn)、過程控制、科學實驗、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測和保護中都起著十分重要的作用。

  超聲波在流動的流體中傳播時,就載上流體流速的信息。因此,通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速,從而換算成流量,這就是超聲波流量計的測量原理。使用超聲波流量計,不需要在流體中安裝測量元件,所以不會改變流體的流動狀態(tài),不產(chǎn)生附加阻力,儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行,因而是一種理想的節(jié)能型流量計。

  超聲波流量計根據(jù)檢測的方式,可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。其中,超聲波多普勒流量計除具有一般超聲波儀器的特點外,還有諸多優(yōu)點,例如對流速變化響應快,對流體的壓力、粘度、溫度、密度和導電率等因素不敏感,沒有零點漂移問題,測量條件不變時儀表重復性好,價格比較便宜等。超聲波多普勒流量計適用于測量兩相流的場合,而能夠用在兩相流場合的流量計是比較少的。本文采用多普勒法為基本原理,來研究基于DSP的超聲波流量計。

  1 多普勒法的測量原理

  1.1 工作原理

  多普勒法測流量的基本原理是:把發(fā)射的超聲波入射到流動的流體中,被隨流體一起運動的顆粒反射到接收器,接收到的反射聲波與發(fā)射聲波之間產(chǎn)生頻率差,這個頻率差就是多普勒頻移,它正比于流體流速,因此測量頻差即可求得流速,將測得的平均流速乘以相應的流通截面積即可求得容積流量。

  利用多普勒效應測量的必要條件是:被測流體中必須有足夠的具有反射本領的顆粒,才能得到一定強度的信號使儀表正常工作。因此,多普勒超聲波流量計只有當被測流體中存在一定數(shù)量的懸浮顆粒、氣泡或有反射本領的其他粒子時才能工作。多普流量計適用于測量兩相流的場合,這正是其他流量計難以解決的。

  1.2 流量方程

  如圖1所示,當多普勒流量計的發(fā)射換能器以一定的角度θ向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)超聲波時,流體中的懸浮顆粒體將聲波發(fā)射到接收換能器,因為懸浮顆粒隨著流體在流動,所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f.設頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2,超聲波在被測流體中的傳播速度(傳聲速度)為c,顆粒反射體以與被測流體相同的流速μ運動,收、發(fā)兩超聲波束與流體相間的夾角均為θ,則根據(jù)多普勒效應,多普勒頻移△f用下式表示:

  由式(1)可知,多普勒頻移△f與發(fā)射頻率f1及流體流速μ成正比,與介質的傳聲速度c成反比。當發(fā)射頻率f1與聲速c恒定時,多普勒頻移△f正比于流速μ,即測量△f可反映流速μ。流速μ與△f的關系由式(1)可得

  式中,S--管道流通截面積。

  式(3)為多普勒流量計的理論方程式。由此式可知,當儀表結構及測量條件確定后,頻移與容積流量成正比,測量頻移可反映流體流量。

圖1 多普勒效應示意圖

圖1 多普勒效應示意圖

  1.3 工作頻率的確定

  工作頻率是本文研究的流量計首先考慮的問題。流量計的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關系。在實際的流體中,粒子的性質差別非常大。為了討論簡單,具有代表性,假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球,置于超聲波聲場中,超聲波以平面波方式傳播的,在考慮吸收與散射衰減條件下,聲波衰減與振幅、距離有如下關系:

  總衰減量

超聲波流量計示值不準_基于DSP的超聲波流量計的研究

  式中,P0是發(fā)射面處的聲壓,Px是接受面處的聲壓,α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中,α主要由3種因素形成,即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波,所以主要研究散射衰減。

  本文研究的流量計的工作頻率的選取應使λ>2πα,但也不要過大,以免只存在繞射。一般選λ/2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好,這時由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實際測量時,應根據(jù)平均粒徑來選擇工作頻率。關于粘滯衰減和摩擦衰減,實際這兩個量與流體性質、粒子濃度及大小等均有關,他們也會影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小,即直接影響測量結果,不過,,一般情況下處于次要地位。對于氣泡的分析與顆粒結果類似。工業(yè)測量中超聲波頻率的選擇在500 kHz~2.5MHz之間。本文研究的超聲波流量計的工作頻率選擇640kHz.

技術資料出處:楊真人
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本文編號:207424

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