基于FPGA的超声导波管道除垢技术研究
发布时间：2021-07-18 08:24
管道在输送流体方面具有很大优势,在经济和社会发展中都起着十分重要的作用。管道内的结垢是石油、天然气、食品和许多其他相关行业普遍关注的一个问题。它迫使相关行业定期清除结垢,甚至更换管道。如果除垢操作不及时或操作不当,可能会导致管道变形、泄漏甚至爆裂。和传统除垢方法相比,超声导波除垢方法因其传播远、覆盖广和不停工等优势被广泛关注。根据上述问题,本文提出了一种基于超声导波的环保型管道除垢方法。论文提出的基于FPGA的超声导波管道除垢技术,其不仅保留了传统除垢方式的优点,而且还具有在不影响正常生产下大范围去除结垢的优势。在进行大范围除垢工作的同时,可最大程度地节省时间和资源,实现高效、快速、安全的除垢目的。本文对基于FPGA的超声导波管道除垢技术进行理论分析和实验研究。首先通过FPGA开发平台和Verilog HDL编程语言设计了基于FPGA的信号源发生器,作为除垢系统的一部分可产生满足后续除垢环节的换能器驱动信号。其次,通过有限元仿真软件COMSOL建立了基于超声导波的充液管道除垢模型并进行了两种情形的对比研究,即单件传感器和传感器阵列。经过扫描式激光测振仪挑选波形信号的最优激励频率,仿真结...
【文章来源】：天津科技大学天津市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１管道爆炸事故??Ｆｉｇ．?１－１?Ｐｉｐｅｌｉｎｅ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ａｃｃｉｄｅｎｔ??
?天津科技大学硕士学位论文???（Ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｃｇ）。简而言之，相速度是单质点传播方向的速度，而群速度是??包络上具有最大幅值点传播声波能量的速度。??相速度传播??ｍ?ｍ?ｍ??ｄ／／?ｌｌ／／／?ｉ如，??：ｅ＂／?＼＼）（／／?ｗ（／／??位置??１——时间１一一时间２?＿?＿?＿时间３ｌ??图２－２相速度传播示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｈａｓｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ??群速度传播??位置??ｒ—时间卜－时间２－－时［ｈＩｔｉ??图２－３群速度传播示意图??Ｆｉｇ．?２－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ??群速度和相速度的定义分别为：??Ｃ?式（２－１）??ｇ?Ａｋ?ｄｋ??ｃ＝°＾?式?Ｐ－２）??ｋ??其中，ｗ为角频率，Ａ：为波数。??将二者定义式相联可得：??ｃ?＝?＾??Ｃｐ?ｄｆ?式（２－３）??ｄ（ｋｃｐ）?７?ｄｃＰ??＝?＝?ｃＰ?＋?ｋ?——??ｄｋ?ｄｋ??其中，／是脉冲的标称中心频率。??９??
２基于超声导波的管道内结垢去除机理研究???从公式（２－１）和（２－２）可以看出，在相速度不随频率变化的情况下，它将等于群??速度即相位将以与脉冲包络相同的速度传播。然而，在超声导波理论中群速度和??相速度通常情况下并不一致。从式（２－３）可看出，群速度与相速度不相同。这样的??实际效果是：随着时间的推移，声波的传播将具有“展开”的趋势，因为相位将??以与包络不同的速度行进，这种效应被称为频散特性［４１］。从频谱的角度考虑相速??度和群速度，群速度表示为该点曲线的局部斜率，如图２－４所示。现在可以提供??三种情况的物理示例：??１、Ｃｐ＞Ｃｇ：经典（正常）分散，起源于后方，向前移动并消失；??２、＝?无频散；??３、ｃｐ＜ｃｇ：异常分散，起源于前方，向后移动并消失。??本??Ｃ０??ｃｇ＜ｃＰ?卜一??ｋ??图２－４群速度随相速度变化??Ｆｉｇ．?２－４?Ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｐｈａｓｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??２．１．２多模态性和频散特性??超声导波的多模态性是指模态种类会随着频率的增加而增加，而每种模态的??波又以不同的速度传播，更重要的是每种模态的波都会消耗超声导波的能量，这??使得超声导波的能量被进一步分散。超声导波的多模态在管道中分为三种类型，??分别是轴对称的纵向模态、轴对称的扭转模态和非轴对称的弯曲模态，一般用Ｌ、??Ｔ和Ｆ来表示这三种模态的超声导波，习惯表示方法为Ｌ（０，ｍ）、Ｔ（０，ｍ）和Ｆ（ｎ，ｍ），??其中，０表示此种模态下的超声导波是对称形态，正整数ｍ表示超声导波在管道??厚度方向上的振动形态，正整数ｎ表示环向阶数且非对称形态，即反映此种模态?
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆管超声导波频散与多模态特性[J]. 王鑫,张金,沈洋,魏影. 应用声学. 2018(03)
[2]全球油气管道分布及发展展望[J]. 马钢,白瑞. 焊管. 2018(03)
[3]管道结垢机理及影响因素分析[J]. 孙溢翔. 云南化工. 2017(12)
[4]分层固体板中导波的激发与频散特性[J]. 张超,阎守国,张碧星,师芳芳. 声学学报. 2017(01)
[5]弯曲导波模态分离与频散补偿研究[J]. 陈乐,王悦民,耿海泉,叶伟,邓文力. 中国测试. 2016(12)
[6]层状管道结构频散曲线绘制及试验验证[J]. 阎石,程杨,王伟,李赢,袁鑫子. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2016(01)
[7]基于FPGA非正弦波形发生器的电路设计[J]. 杨盼盼,李华伟. 电子设计工程. 2015(24)
[8]空心圆管中导波频散特性与检测频率选择[J]. 马书义,武湛君,刘科海,王奕首. 机械工程学报. 2014(20)
[9]高速采样及恢复系统的设计与实现[J]. 韩建,何学兰,魏运锋. 光学仪器. 2014(01)
[10]超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 崔方玲,纪威. 农业工程学报. 2013(17)
博士论文
[1]管道超声轴对称导波传播特性的谱方法研究[D]. 于保华.浙江大学 2014
[2]超磁致伸缩功率超声换能器理论分析与实验研究[D]. 曾庚鑫.华南理工大学 2013
[3]用于铝板检测的电磁超声导波换能器优化设计技术研究[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于有限元的污垢管道超声导波传播特性研究[D]. 吴春迎.东北电力大学 2017
[2]基于FPGA的图像传感器设计与边缘检测[D]. 徐紫洋.华南理工大学 2017
[3]基于FPGA的数字综合实验平台的设计与开发[D]. 张定祥.电子科技大学 2016
[4]基于COMSOL的钢轨超声导波传播模型与缺陷检测方法研究[D]. 赵恺.西安理工大学 2016
[5]超声波技术的除垢机理研究及在换热器中的应用[D]. 王志华.华东理工大学 2016
[6]基于FPGA的可定制片上系统研究平台的设计与实现[D]. 赵鸿宇.浙江大学 2016
[7]超声导波任意波形激励技术研究[D]. 郑甜甜.北京交通大学 2016
[8]基于超声导波的管道结垢探测及去除技术研究[D]. 冯丹龙.天津科技大学 2016
[9]空化射流清洗器在管道清洗中的数值仿真及实验研究[D]. 肖志勇.大连海事大学 2016
[10]油田管道超声波防除垢技术实验研究[D]. 李丹.长江大学 2015
本文编号：3289215
【文章来源】：天津科技大学天津市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１管道爆炸事故??Ｆｉｇ．?１－１?Ｐｉｐｅｌｉｎｅ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ａｃｃｉｄｅｎｔ??
?天津科技大学硕士学位论文???（Ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｃｇ）。简而言之，相速度是单质点传播方向的速度，而群速度是??包络上具有最大幅值点传播声波能量的速度。??相速度传播??ｍ?ｍ?ｍ??ｄ／／?ｌｌ／／／?ｉ如，??：ｅ＂／?＼＼）（／／?ｗ（／／??位置??１——时间１一一时间２?＿?＿?＿时间３ｌ??图２－２相速度传播示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｈａｓｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ??群速度传播??位置??ｒ—时间卜－时间２－－时［ｈＩｔｉ??图２－３群速度传播示意图??Ｆｉｇ．?２－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ??群速度和相速度的定义分别为：??Ｃ?式（２－１）??ｇ?Ａｋ?ｄｋ??ｃ＝°＾?式?Ｐ－２）??ｋ??其中，ｗ为角频率，Ａ：为波数。??将二者定义式相联可得：??ｃ?＝?＾??Ｃｐ?ｄｆ?式（２－３）??ｄ（ｋｃｐ）?７?ｄｃＰ??＝?＝?ｃＰ?＋?ｋ?——??ｄｋ?ｄｋ??其中，／是脉冲的标称中心频率。??９??
２基于超声导波的管道内结垢去除机理研究???从公式（２－１）和（２－２）可以看出，在相速度不随频率变化的情况下，它将等于群??速度即相位将以与脉冲包络相同的速度传播。然而，在超声导波理论中群速度和??相速度通常情况下并不一致。从式（２－３）可看出，群速度与相速度不相同。这样的??实际效果是：随着时间的推移，声波的传播将具有“展开”的趋势，因为相位将??以与包络不同的速度行进，这种效应被称为频散特性［４１］。从频谱的角度考虑相速??度和群速度，群速度表示为该点曲线的局部斜率，如图２－４所示。现在可以提供??三种情况的物理示例：??１、Ｃｐ＞Ｃｇ：经典（正常）分散，起源于后方，向前移动并消失；??２、＝?无频散；??３、ｃｐ＜ｃｇ：异常分散，起源于前方，向后移动并消失。??本??Ｃ０??ｃｇ＜ｃＰ?卜一??ｋ??图２－４群速度随相速度变化??Ｆｉｇ．?２－４?Ｇｒｏｕｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｐｈａｓｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ??２．１．２多模态性和频散特性??超声导波的多模态性是指模态种类会随着频率的增加而增加，而每种模态的??波又以不同的速度传播，更重要的是每种模态的波都会消耗超声导波的能量，这??使得超声导波的能量被进一步分散。超声导波的多模态在管道中分为三种类型，??分别是轴对称的纵向模态、轴对称的扭转模态和非轴对称的弯曲模态，一般用Ｌ、??Ｔ和Ｆ来表示这三种模态的超声导波，习惯表示方法为Ｌ（０，ｍ）、Ｔ（０，ｍ）和Ｆ（ｎ，ｍ），??其中，０表示此种模态下的超声导波是对称形态，正整数ｍ表示超声导波在管道??厚度方向上的振动形态，正整数ｎ表示环向阶数且非对称形态，即反映此种模态?
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆管超声导波频散与多模态特性[J]. 王鑫,张金,沈洋,魏影. 应用声学. 2018(03)
[2]全球油气管道分布及发展展望[J]. 马钢,白瑞. 焊管. 2018(03)
[3]管道结垢机理及影响因素分析[J]. 孙溢翔. 云南化工. 2017(12)
[4]分层固体板中导波的激发与频散特性[J]. 张超,阎守国,张碧星,师芳芳. 声学学报. 2017(01)
[5]弯曲导波模态分离与频散补偿研究[J]. 陈乐,王悦民,耿海泉,叶伟,邓文力. 中国测试. 2016(12)
[6]层状管道结构频散曲线绘制及试验验证[J]. 阎石,程杨,王伟,李赢,袁鑫子. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2016(01)
[7]基于FPGA非正弦波形发生器的电路设计[J]. 杨盼盼,李华伟. 电子设计工程. 2015(24)
[8]空心圆管中导波频散特性与检测频率选择[J]. 马书义,武湛君,刘科海,王奕首. 机械工程学报. 2014(20)
[9]高速采样及恢复系统的设计与实现[J]. 韩建,何学兰,魏运锋. 光学仪器. 2014(01)
[10]超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 崔方玲,纪威. 农业工程学报. 2013(17)
博士论文
[1]管道超声轴对称导波传播特性的谱方法研究[D]. 于保华.浙江大学 2014
[2]超磁致伸缩功率超声换能器理论分析与实验研究[D]. 曾庚鑫.华南理工大学 2013
[3]用于铝板检测的电磁超声导波换能器优化设计技术研究[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于有限元的污垢管道超声导波传播特性研究[D]. 吴春迎.东北电力大学 2017
[2]基于FPGA的图像传感器设计与边缘检测[D]. 徐紫洋.华南理工大学 2017
[3]基于FPGA的数字综合实验平台的设计与开发[D]. 张定祥.电子科技大学 2016
[4]基于COMSOL的钢轨超声导波传播模型与缺陷检测方法研究[D]. 赵恺.西安理工大学 2016
[5]超声波技术的除垢机理研究及在换热器中的应用[D]. 王志华.华东理工大学 2016
[6]基于FPGA的可定制片上系统研究平台的设计与实现[D]. 赵鸿宇.浙江大学 2016
[7]超声导波任意波形激励技术研究[D]. 郑甜甜.北京交通大学 2016
[8]基于超声导波的管道结垢探测及去除技术研究[D]. 冯丹龙.天津科技大学 2016
[9]空化射流清洗器在管道清洗中的数值仿真及实验研究[D]. 肖志勇.大连海事大学 2016
[10]油田管道超声波防除垢技术实验研究[D]. 李丹.长江大学 2015
本文编号：3289215
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