基于超声多普勒技术的液固两相流测量装置研究
发布时间：2021-10-29 21:06
近年来随着经济飞速增长,在改善人民生活质量的同时,中国每年排放的生活和工业污水都触目惊心,对于污水高效准确地测量已成为目前亟待解决的重要课题。污水是一种典型液固两相流的流体,污染物的尺度分布广且不规则,其微观的流动机理充满复杂性和随机性。超声多普勒技术不受固相颗粒、气泡等杂质的影响,是一种精准、稳定、快速的测量方法,非常适用于液固两相流流速、流量测量的研究。本文根据超声多普勒技术测量原理,在频谱分析的基础上提出一种多普勒谱峰抽取叠加法用于液固两相流测量模型的建立。设计并搭建一套基于超声多普勒技术的液固两相流测量装置,结合粒子图像测速技术（PIV）对超声多普勒液固两相流装置进行了流速校准实验,得到了液固两相流测量模型,并用大型多相流循环装置对得到的液固测量模型进行验证并修正了液固两相流测量模型,本文具体研究内容和创新点如下:1.根据管道层流和湍流的流型状态,分析归纳了管道流体的速度分布规律,为管道截面平均流速的估计等提供了思路,并结合选带细化的频谱法（Zoom-FFT）提出了一种多普勒谱峰抽取叠加法作为多普勒频移的估计方法。2.针对液固两相流超声传感器的工作频率、压电材料及超声入射角度对...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
河北大学硕士学位论文16=∑21=0（2.22）=1∑21=0（2.23）快速傅里叶变换(fastFouriertransform)是指离散傅里叶变换（DFT)的高效、简便、快速计算方法的统称，简称FFT。使用该算法可以大大减少计算DFT所需的乘法数，尤其当抽样的点数N越多时，FFT算法优越性越突出。快速傅里叶变换是信号处理与数据分析领域里最重要的算法之一。图2-4频率抽选，8点FFT的流程图快速傅里叶算法（FFT）属于数字信号处理的一种，用传统FFT方法得到的信号频谱是一种离散的频谱（其分辨率公式=/，其中，为采样频率，N为采样点数）。通过Naquist采样定理我们可知，采样率必须大于信号带宽的2倍以上，才能将信号完美的呈现出来，不产生混叠现象[54]。所以要想获得高分辨率的频谱，只能通过降低采样率或者增大采样点数N，但是如果过度降低采样率，也会产生混叠现象，而增加取样点N的话，就会增加运算量和存储量，快速傅里叶算法时间加长，降低工作效率。所以目前提升分辨率的方法只有靠提升采样点数，长时间的数据获取，但是由于实际测量条件和硬件方面等的限制，这种方法往往经常不适用。在实际的测量里面，全频域的某一频段才是我们真正需要的，所以只需要分析这个频段即可。在基于离散傅立叶变换(DFT)的经典谱估计中，由时域截断所引起的频谱能量泄漏是不可避免的。频谱能量泄漏是导致频谱失真的主要误差因素。Zoom-FFT称为细化的快速傅立叶变换，又称为选带快速傅立叶变换，Zoom-FFT可以大大减小频谱能量泄漏，获得更高质量的细化频谱，因此在很多领域得到了广泛的应用。
河北大学硕士学位论文26图3-6液固两相流超声传感器实体图对制造完成的液固两相流超声发射、接收传感器进行性能参数分析，具体参数如图3-6和3-7，下面只介绍其中常用的参数。1.Fs：是超声传感器的中心频率，从图3-6和3-7可以看出，发射传感器的中心频率为1010940Hz，接收传感器的中心频率1020800Hz，在允许误差的范围内，适用于液固两相流的测量与分析。2.F1和F2：是超声传感器的带宽范围，指的是超声传感器的工作频率范围。在超声多普勒液固两相流测量中，由于多普勒效应会产生频移，所以需要设计的超声传感器要满足带宽范围，本设计的带宽范围均达到100kHz以上完全满足实验要求。3.Qm：代表超声传感器的灵敏度，值越大，代表灵敏度越好。设计的超声传感器Qm值均在8以上，满足设计需求。4.R1：为最小阻抗，阻抗相匹配能发挥出超声传感器的最大工作性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非牛顿流体在渐变管中压力和剪切应力的二次摄动解[J]. 邱翔,郭宇飞,李家骅,傅渊,罗剑平. 力学季刊. 2019(03)
[2]超声波流量计在工业生产中的安装维护及应用[J]. 姚海滨. 化工管理. 2019(22)
[3]牛顿流体-幂律流体双区复合稠油油藏水平井热采试井模型[J]. 高岳,姜瑞忠,崔永正,张春光,潘红. 特种油气藏. 2019(04)
[4]基于PIV图像处理法的管内低浓度液固两相流颗粒运动特性研究[J]. 王丽燕,孙志强,周天,檀妹静. 工程热物理学报. 2018(09)
[5]超声多普勒谱修正的油水两相流流速测量[J]. 史雪薇,谭超,董虓霄,董峰. 机械工程学报. 2017(24)
[6]超声污水流量测量的数学建模及影响因素分析[J]. 任增强,李跃忠,钱永安. 山西大同大学学报(自然科学版). 2017(02)
[7]基于TMS320F28335的超声多普勒流量计[J]. 水永辉,刘艳萍,赵连环,王庆山. 仪表技术与传感器. 2012(07)
[8]一种新型超声多普勒流量计探头的设计[J]. 张培芬,李利品,殷光,赵东升,孙亮亮. 电子元器件应用. 2011(04)
[9]高性能双通道DDS芯片AD9958及其应用[J]. 陈昶. 山西电子技术. 2010(06)
[10]基于超声多普勒的井下多相流量测量控制系统[J]. 张培芬,崔晓朵,徐玥. 电子测试. 2010(11)
博士论文
[1]纸浆纤维悬浮液的屈服应力与触变特性的研究[D]. 沙九龙.南京林业大学 2016
[2]基于超声多普勒方法的管道流量测量研究[D]. 罗守南.清华大学 2004
硕士论文
[1]超声—水解酸化剩余污泥强化污水生物脱氮性能研究[D]. 徐学信.山东建筑大学 2019
[2]一种超声多普勒海流计的研制[D]. 陈方兴.厦门大学 2018
[3]基于MIMU与超声多普勒里程仪的陆用车辆组合导航技术研究[D]. 王小瑞.哈尔滨工程大学 2012
[4]基于多普勒效应的光纤超声检测研究[D]. 左会刚.哈尔滨工程大学 2012
[5]基于DSP的超声波多普勒流量计设计与研究[D]. 范乐.河南理工大学 2010
[6]斯特林公式及其在局部平均采样定理中的应用[D]. 宋艳霞.天津大学 2009
本文编号：3465396
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
河北大学硕士学位论文16=∑21=0（2.22）=1∑21=0（2.23）快速傅里叶变换(fastFouriertransform)是指离散傅里叶变换（DFT)的高效、简便、快速计算方法的统称，简称FFT。使用该算法可以大大减少计算DFT所需的乘法数，尤其当抽样的点数N越多时，FFT算法优越性越突出。快速傅里叶变换是信号处理与数据分析领域里最重要的算法之一。图2-4频率抽选，8点FFT的流程图快速傅里叶算法（FFT）属于数字信号处理的一种，用传统FFT方法得到的信号频谱是一种离散的频谱（其分辨率公式=/，其中，为采样频率，N为采样点数）。通过Naquist采样定理我们可知，采样率必须大于信号带宽的2倍以上，才能将信号完美的呈现出来，不产生混叠现象[54]。所以要想获得高分辨率的频谱，只能通过降低采样率或者增大采样点数N，但是如果过度降低采样率，也会产生混叠现象，而增加取样点N的话，就会增加运算量和存储量，快速傅里叶算法时间加长，降低工作效率。所以目前提升分辨率的方法只有靠提升采样点数，长时间的数据获取，但是由于实际测量条件和硬件方面等的限制，这种方法往往经常不适用。在实际的测量里面，全频域的某一频段才是我们真正需要的，所以只需要分析这个频段即可。在基于离散傅立叶变换(DFT)的经典谱估计中，由时域截断所引起的频谱能量泄漏是不可避免的。频谱能量泄漏是导致频谱失真的主要误差因素。Zoom-FFT称为细化的快速傅立叶变换，又称为选带快速傅立叶变换，Zoom-FFT可以大大减小频谱能量泄漏，获得更高质量的细化频谱，因此在很多领域得到了广泛的应用。
河北大学硕士学位论文26图3-6液固两相流超声传感器实体图对制造完成的液固两相流超声发射、接收传感器进行性能参数分析，具体参数如图3-6和3-7，下面只介绍其中常用的参数。1.Fs：是超声传感器的中心频率，从图3-6和3-7可以看出，发射传感器的中心频率为1010940Hz，接收传感器的中心频率1020800Hz，在允许误差的范围内，适用于液固两相流的测量与分析。2.F1和F2：是超声传感器的带宽范围，指的是超声传感器的工作频率范围。在超声多普勒液固两相流测量中，由于多普勒效应会产生频移，所以需要设计的超声传感器要满足带宽范围，本设计的带宽范围均达到100kHz以上完全满足实验要求。3.Qm：代表超声传感器的灵敏度，值越大，代表灵敏度越好。设计的超声传感器Qm值均在8以上，满足设计需求。4.R1：为最小阻抗，阻抗相匹配能发挥出超声传感器的最大工作性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非牛顿流体在渐变管中压力和剪切应力的二次摄动解[J]. 邱翔,郭宇飞,李家骅,傅渊,罗剑平. 力学季刊. 2019(03)
[2]超声波流量计在工业生产中的安装维护及应用[J]. 姚海滨. 化工管理. 2019(22)
[3]牛顿流体-幂律流体双区复合稠油油藏水平井热采试井模型[J]. 高岳,姜瑞忠,崔永正,张春光,潘红. 特种油气藏. 2019(04)
[4]基于PIV图像处理法的管内低浓度液固两相流颗粒运动特性研究[J]. 王丽燕,孙志强,周天,檀妹静. 工程热物理学报. 2018(09)
[5]超声多普勒谱修正的油水两相流流速测量[J]. 史雪薇,谭超,董虓霄,董峰. 机械工程学报. 2017(24)
[6]超声污水流量测量的数学建模及影响因素分析[J]. 任增强,李跃忠,钱永安. 山西大同大学学报(自然科学版). 2017(02)
[7]基于TMS320F28335的超声多普勒流量计[J]. 水永辉,刘艳萍,赵连环,王庆山. 仪表技术与传感器. 2012(07)
[8]一种新型超声多普勒流量计探头的设计[J]. 张培芬,李利品,殷光,赵东升,孙亮亮. 电子元器件应用. 2011(04)
[9]高性能双通道DDS芯片AD9958及其应用[J]. 陈昶. 山西电子技术. 2010(06)
[10]基于超声多普勒的井下多相流量测量控制系统[J]. 张培芬,崔晓朵,徐玥. 电子测试. 2010(11)
博士论文
[1]纸浆纤维悬浮液的屈服应力与触变特性的研究[D]. 沙九龙.南京林业大学 2016
[2]基于超声多普勒方法的管道流量测量研究[D]. 罗守南.清华大学 2004
硕士论文
[1]超声—水解酸化剩余污泥强化污水生物脱氮性能研究[D]. 徐学信.山东建筑大学 2019
[2]一种超声多普勒海流计的研制[D]. 陈方兴.厦门大学 2018
[3]基于MIMU与超声多普勒里程仪的陆用车辆组合导航技术研究[D]. 王小瑞.哈尔滨工程大学 2012
[4]基于多普勒效应的光纤超声检测研究[D]. 左会刚.哈尔滨工程大学 2012
[5]基于DSP的超声波多普勒流量计设计与研究[D]. 范乐.河南理工大学 2010
[6]斯特林公式及其在局部平均采样定理中的应用[D]. 宋艳霞.天津大学 2009
本文编号：3465396
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