污水管道非接触流量测量装置设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 污水管道非接触流量测量装置设计指 导 教 师 : 2012 年 03 月 09 日毕 业 设 计 开 题 报 告文 献 综 述一、本课题研究的目的及意义在当今社会,流量测量广泛应用于工业过程控制及能源计量,工农业发展对流体流量的测量提出了越来越高的要求,只有将其数量测量准确,才能做到“节能有数,耗能有据”,正确的进行经济核算 1。在流量计量工作中遇到了一系列问题,比如:由于测量介质的变化,管路内各类杂质及锈蚀的产生,使其测量误差变得很大,因拆装、断流等诸多因素,对流量计进行周期检定又非常困难,由于流量测量失准而产生的计量争议也越来越突出 2。本设计提出的目的是通过超声波发射与接收信号在不接触液体本身的情况下流速测量技术的研究,研制出可以非接触流量的测量装置 3。目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题， 这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流 4，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加， 故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表 5，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量， 故可用于下水道及排污水等脏污流的测量 6。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多 7。超声波流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm 到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。另外， 超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表 8， 故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量 9。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量10。众所周知, 超声波具有发射能量大、方向性强的特点。超声波流量计的基本原理是向管道发射超声波脉冲。该脉冲以顺流和逆流方式通过流体时, 因流速不同,即会产生时间差, 测得此时差 11, 就可检出流体的流速, 求得流量, 这一方法称为时差法。根据多普勒原理, 超声波脉冲在顺流和逆流通过流体时, 其频率也会发生变化, 测量此频差也可检出流体的流速, 求得流量, 这一方法称为频差法。还有采用其他方法如噪声法等, 但以此两种方法较为常用 12。二、 国内外研究现状及趋势五十多年前, 世界上还没有一家规模化、标准化生产超声流量计的厂商。然而, 现在全世界有超过50家的超声流量计制造商。根据美国F low Research机构2005年的调查报告 1 , 超声流量计的年销售额超过30亿美元, 占所有类型流量计销售总额的10%13。超声流量计近几十年的迅速兴起在于其相对传统流量计(如孔板、涡轮等)有以下优点: 非接触式测量; 无可动部件, 维护方便; 适于大管径测量。超声流量测量现已广泛应用于工业、医学和民用等多个领域, 与此相关的研究也逐年增加 14。国外每隔一段时间就会出现一些综述2 5 , 评述其时超声流量测量的技术进展, 国内虽有不少文献介绍超声流量测量原理及应用, 但有关信号处理技术进展的文献相对较少15。三、本论文的主要内容及安排（1）分析超声波反射对管道内部液体流量测量的基本原理超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速， 从而换算成流量 16。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表， 适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80 年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90 年代得到迅速发展 17。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。（2）设计（选型）超声发射及接收装置：应安装在水平管道较低处和垂直向上处，避免安装在管道的最高点和垂直向下处；应安装在管道的上升处；在开口排放的管道安装，应安装在管道的较低处；若管道落差超过5m，在传感器的下游安装排气阀 18；应在传感器的下游安装控制阀和切断阀，而不应安装在传感器上游；传感器绝对不能安装在泵/压缩机的进口处，应安装在泵/压缩机的出口处。（3）设计可伸缩的超声探头夹具具有压电效应的晶体称为压电晶体, 用它制成的单元构件称为压电元件。制造超声波流量计压电元件的材料多采用错钦酸铅 19。利用压电材料制成相应的换能器来产生(发射)和接收超声波, 这就是通常所说的探头。管外夹装式探头通常采用钢绳或磁性基座固定, 并用粘结剂胶合在管子外壁上。采用适当的发射电路, 把电能加到发射换能器的压电元件上, 使其产生超声波。超声波以某一角度射人流体并在其中传播, 然后由接收换能器接收, 并经压电元件变为电能, 以便检测 20。发射换能器利用压电元件的逆压电效应, 而接收换能器则是利用其正压电效应。参考文献：1 罗登林，丘泰球，卢群.超声波技术及应用()超声波在分离技术方面的应用J.日用化学工业，2006，01.2 郭平生,华贲,李忠.超声波场强化解吸的机理分析J.高校化学工程学报，2002，(06).3 沈耀亚,赵德智,许凤军.功率超声在化工领域中的应用现状和发展趋势措施J.现代化工，2000，(10). 4 同济大学声学研究所. 超声工业测量技术.上海人民出版社, 19775 郑群里、杨为理、应启珩. 信号与系统. 高等教育出版社, 19816 孟 华, 闫 菲, 李明伟. 新型时差法超声波流量计 J .仪表技术与传感器, 2007, ( 8 ) : 18- 20.7 顾 宇. 超声波呼吸流量计的研制 D . 合肥: 中国科学技术大学. 2004.8 戴 康. 改进超声波流量计的测量方法 J . 化工自动化及仪表, 1997, 24( 5 ) : 44- 46.9 宁 晨, 顾 宇, 周康源, 等. 新型高精度超声波流量计的设计 J. 声学技术, 2003, 22( 4) : 251- 254.10 罗建荣，彭佑多，刘德顺.液压系统测量参数的超声波关外检测原理及装置 J.煤炭技术，1999,18(14)11 祝海林，邹景，高澜庆，张文明.流量非接触测量方法 J.北京科技大学学报，1997,19(5)12 J.西拉德.超声检测技术（第一版）M .北京，科学出版社，199113 刘佰英;管道超声波流量计研究D .东北大学，200514 兰纯纯;时差法超声波流量计的研究D .重庆大学，2006 15 李广峰,刘昉,高勇;时差法超声波流量计的研究J .电测与仪表，2000，0916 16 N. K. Bose. Dig ital filter s theo ry and applications. 1940 50 COWELL D M J, FREEAR S. Q u inary Excitat ion M ethod for Pu lse C om p ressionu ltrasoun d M easurem en ts J . U -ltrason ics, 20 08, 48 ( 2 ) : 98 - 10 8.17 CHEN W H, DENG J L. U ltrason icNond estru ct iveT est ingUsing Barker Code Pu lse C omp ress ion Techn iques J . U ltrasonics, 1988, 26( 1 ) : 23 - 26.18 M ISAR ID IS T, JENSEN J A. U se o fM odu lated Excitation S ignals inM ed ical U ltrasoun d J . IEEE Tran sact ion s on Ultrason ics, Ferroelectrics, an d Frequen cy Cont ro,l 200 5,5 2 ( 2 ) : 177 - 19 1.19 SULL IVAN I J, WR IGH TW M D. U ltrason icM easu remen t of Gas F low U sing E lectrostat ic Tran sdu cers J . U -ltrason ics, 20 02, 40 ( 1 - 8 ) : 407 - 4 11.20 CADET G, VAKLES J, M ITCH ELL JW. U ltrason ic T im e-o-f F lightM ethod for On- line Quant itat ion of Sem iconductor Gas C / /Proceed ings of IEEE U ltrason ic S ym posium. 1991:295 - 300. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速， 从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表， 适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80 年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90 年代得到迅速发展。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。下图为超声波流量计原理框图：众所周知, 超声波具有发射能量大、方向性强的特点。超声波流量计的基本原理是向管道发射超声波脉冲。该脉冲以顺流和逆流方式通过流体时, 因流速不同,即会产生时间差, 测得此时差, 就可检出流体的流速, 求得流量, 这一方法称为时差法。根据多普勒原理, 超声波脉冲在顺流和逆流通过流体时, 其频率也会发生变化, 测量此频差也可检出流体的流速, 求得流量, 这一方法称为频差法。还有采用其他方法如噪声