激振源内嵌式宽波束液体超声流量传感模块的研究

发布时间：2020-09-18 22:16

　　液体超声流量计根据安装使用方式不同可分为管段式、插入式和外夹式三大类。其中,管段式与插入式的换能器与测量介质直接接触,声能损耗小,信号质量佳,测量精度高,但换能器直接与待测液体接触,使得仪表耐压、耐腐蚀性受限。相比之下,外夹式的换能器不与液体相接触,在耐压、耐腐蚀等方面具有优势,但超声信号要穿过耦合层、管壁等固体介质,声能损耗大,信号处理难度更高,且长期夹持测量可靠性差。本论文提出了一种激振源内嵌式宽波束液体超声流量传感方法,其特点为激振源内嵌于不锈钢管壁中并与管壁紧密贴合,激振源在外加电压作用下振动产生的超声信号可在管壁内外表面不断反射并向前传播,形成较大的声波激发区域,产生一种“宽波束”效果。该方案兼顾了传统管段式与外夹式的优点,并利用宽波束避免气泡、颗粒等杂质对信号的影响,具有耐高压、耐腐蚀、高可靠、高精度的优点,可为能源、化工、液压、半导体制造等领域广泛潜在应用市场提供完善的流量测量与传感方案。文中设计、制作并测试了激振源内嵌式宽波束液体超声流量传感模块,验证了激振源内嵌式结构的有效性与宽波束激发技术的可行性,为后续实用型传感器整表研制奠定了基础。论文主要内容为:1.激振源内嵌式宽波束板状测量结构设计与宽波束产生机理研究。选取板状结构作为原理模型,研究了斜入射纵波在固液交界面上波型转化、透射能量与反射能量变化,结合平板Lamb波激发理论及激振源表面振动分布分析,确定了板状结构的材料和关键设计参数。2.激振源内嵌式宽波束板状测量结构有限元仿真分析。借助有限元软件COMSOL构建仿真模型,测试声束的作用范围,观测流速、气泡杂质等对接收信号产生的影响,验证了不锈钢内嵌式结构具有抗干扰能力强、稳定性高的特点。3.激振源内嵌式宽波束管段测量结构及二次电路设计。将板状结构的研究结果应用到管段结构设计中,介绍了激振源内嵌式管段测量结构的设计方法。为了对渡越时间进行精确计时,设计制作了以MSP430、TDC-GP21为核心,采用sallen-key二阶有源滤波放大的电路模块,并提供了基于GP21遮罩功能的辅助信号与流场信号双信号同步测量方法。4.宽波束关键性能参数实验测试。设计并完成三个关键参数的测试实验,分别是宽波束有效范围实验,不同温度下接收信号稳定性实验,辅助信号与流场信号零点温飘实验。通过实验证明了激振源内嵌式结构具有良好的抗干扰能力和稳定性,为后续可实用的传感器整表研发提供了理论依据。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH814
【部分图文】：

时差式,测量原理,渡越时间

式和频差式）、波束偏移式、多普勒式、相关式等几种类型［６１，最常见的是时差式与多逡逑普勒式。逡逑图１．１给出了时差式超声流量计测量原理图，待测液体以速度ｖ自右向左流动，换逡逑能器发射的超声波在传播过程中，实际速度为静止流体中声速与流体流速矢量叠加，因逡逑此顺流渡越时间《＾与逆流渡越时间（２是不同的，精确测得时间差后通过计算便可以得到逡逑液体流速。逡逑Ｉ逦换能器１逡逑［Ｉ逦ｔ／Ｚ＞ｓ６逡逑ｊ邋＾逡逑姞器５逡逑Ｉ逡逑图１．１时差式测量原理简图逡逑在图１．１中，顺流渡越时间逡逑Ｊ／ｃｏｓ＾逦（１１）逡逑ｃ邋＋邋ｉ；ｓｉｎ０逡逑逆流渡越时间逡逑ｄ／ｃ0ｓｅ＿逦（１．２）逡逑ｃ邋—邋ｖｓｉｎ？逡逑顺逆流时间差逡逑２逡逑

原理图,热量表,流量测量,超声波

逦ｙ逡逑图１．２超声波热量表流量测量模块原理简图逡逑图１．３为ＳＩＥＭＥＮＳ公司推出的ＷＳＭ５２５－０Ｅ型超声波热量表。该产品带有Ｇ１管逡逑螺纹，测量流速上限为２．５ｍ３／ｈ，精度等级为二级，工作压力低于丨．６Ｍｐａ，测量温度逡逑范围０？９０摄氏度，仪表工作温度上限为１８０摄氏度，内置锂电池使用寿命大于１１年［｜（）１。逡逑，逡逑图Ｉ．３ＷＳＭ５２５－０Ｅ超声波热量表逡逑插入式超声流量计工作原理与管段式相近，在此不作重复举例。逡逑（２）外夹式超声流量计逡逑图１．４为美国ＯＭＥＧＡ公司生产的ＦＤＴ－２１外夹式液体超声流量计，标称测量精度逡逑为１％，线性度为０．５％，可以适用各种金属材料、大部分塑料及坡璃纤维的管路材质。逡逑由于有多种规格的外夹式换能器探头可供选择，因此对于２０？１００ｍｍ管径的管路均可逡逑测量

宽波束,零流,顺逆流,超声流量计

逦逆流传播逡逑图１．８宽波束流量计在不同流速下顺逆流超声波信号发射点［｜８１逡逑图１．８是Ｃｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏｎ官方手册中关于宽波束超声流量计在零流速、高流速下顺逆逡逑流的超声波信号发射点位置示意图。从图中可以看出，有效测量信号并非直接来源于激逡逑发换能器，而是来自于管壁，也就是说，管壁作为振源产生了超声信号。因此，回过头逡逑来考虑宽波束原理相关手册中所强调的换能器频率与测量管段频率相匹配这一要求，实逡逑际上是为了激励管壁振动达到最大，产生良好的测量信号。逡逑换能器２逦换能器１逦换能器２逦换能器１逡逑＼逦／声路１逦声路２邋＼逦／逡逑图１．９宽波束在零流速下的两种声信号传播路径逡逑观察图１．８中顺流传播与逆流传播零流速时超声信号，可以发现二者都是由激发换逡逑能器产生，先在管壁中传播一段距离，之后扩散进入液体，经一次反射后到达接收换能逡逑器。理论上还存在另一种传播路径，如图１．９右图所示，超声信号从激发换能器处进入逡逑液体

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