双超声波干涉偏移法测量流体流速.docx

1、EENXCHBETOCMITSaOWT实验技术与管理IcriTka/nciMErmcrti第36卷第1期2011-1月«.36hfc>,123191X)12.1679Vl<ri.M.2D19.O1.015双超声波干涉偏移法测量流体流速陈水桥”郑远，王纽"王宙洋n何亮伊江大学物理学系。浙江杭州31GC27>摘要:介绍r一种基于两个波源的双超声波干涉偏移法测量流体流速.推导利用介质流动造成的偏移效应来测量流体速度的近似公式利用超声波信号干涉的方程揭示出了流体的流速与超声波信号干涉强度之间的关系结合计算机模拟和分析r这种关系劣得了曲线的线性近似的适用范围/U用C

2、ASS/系统平台对气体流速进行了测量和验证分析了实验误差.实验证明利用双超声波涉偏移法测J量流体流速的结果与现有的风速仪删星的值基本吻合疽F均相对误差为5.5%-关键词二流体流速二双超声波干涉二波束偏移效应ZQASSLdo中图分类号2-TW51文献标识玛二A文章编号二1OC83EffiQD19初EggCHENStJoed-ZHENGLbi，WANGKLo，WANGHEUet(Ljartrna-t-Harfmj3lGCE7/VMirct-ActxhfeLBry：w>fcscfEdt.mdtccbfe-msscrv-fUdbEssdcrrttB±v><SAetvmadL

3、m-ffciAr心cferiued.ThetKjndnp>bdtwseTthecfHtidandltiei_tarfeorcjecffctQj&fecJutJrk-andSacrrtiimvAfcicxrriaahxJteticriandcfHterdhtionyDcdFtteIhHErioiTEtizncPtfecxroeMddteared.TheGASS'/LbpK&mMusedtomaEB-teandppcandtheOf»WTCT-tcfmEEarwH-fcltyancttheauar»ue«ror-fc5.47%.Keywh

4、L二flL5dx<*3EdciiUKiBn=xritcrcrcobcEmcf&tjeffel_*CSSi<I常见的流体流速测量方法有流体通过孔板产生微压差法测量流体流速优点是实现方法简便缺点是测虽受外界干扰比较大熟线法测虽流体流速利用r热线电流与流速的关系优点是直观缺点是仪器调节比较繁琐误差较大多普勒频移法测量流体流速需要测量粒了的速度疫现难度较大10-除此之外走I声流量计也是一种比较好的测量流体流速的方法它常利用波束偏移法湘关法、噪声法等实现流量测定.超声波具有频率高方向性好、抗干扰能力强等特点所以在许多科技领域都起到了重要的作用.在大学物理收稿日期2D18XKD9作者简

5、介撕水桥<3971-痢江湖州顶上*级工程师JJf究方向为物理实骑技术与实验室管理.lUnil)g|by)g豆不/实验教学中利用超声波的干涉可以精确地测量空气中的声速由-在工业应用中斑声波也可以用来测量风速和流体流量.常见的超声风速仪一般基于时差法包括相位差、频差等冰实现3-其中琳统的波束偏移法是基于单个超声波波源下利用两个接收器收到的信号强度的差异来计算发射器发出的波束偏移角进而推算出介质的流速田忐种方法适用于流体流速较大的情况但在低流速情况下其测鼠灵敏度低，测量误差较大而且响应慢抗干扰能力也弱.本文基于两个超声波波源的双超声波干涉原理并利用介质流动造成的偏移效应测量流体流速.为了提高测

6、量精度还用计算机模拟和分析了流体流速和超声波信号强度的关系并利用QASSy系统平台对气体的流速进行了测量.双超声波干涉偏移法在测量流体低流速情况下具有优势而且其对多变的流速响应较快.测量数据获得的时效性也较强-1双超声波干涉偏移原理1. 1干涉方程如图1所示设有两个发射正弦波的相干波源超声换能器太和&靠距其所在直线距离为I.的位置有一个接收器RJW为通过流体介质的玻璃管道凋中u为流体流速-1、分别为两个相干波源到接收器的距离q为两波源的间距X为接收器横向中心轴和两波源对称轴的位移-其中v为波速£为波频率-AL为两束波到接收器位置的波程差3.=|LJ|A根据图1可以推导出二句=

7、+x：y+ug（号叙亍+二由于波源的方向性和超声波在传播中的衰减，AM。一般随方向角和距离变化则在该点的合振动强度有效值为I=V+yacL+2yiyaCiJ考虑积分时间T远大于振动周期布二£y¥ct=T同时J.y，火旦作余弦函数的积化和差J弋入弋得到图I双超声波干涉偏移法原理示意图两相干波的振动方程分别为yi=Aicx»C>L+*>、4>火=AaCEEPJl-+（i）o+JOI=+AlAacefit'ALJ3其中召，由4>弋给出-2计算机模拟与分析对代入初始条件原型实验的环境变量卜同>固定Ai和AzJHWdfcm作出Tx的图像

8、如图对该图中第一极小值处进行放大局部范围内可认为Ai。?变化不大四I和Aa取不同比值时可得图2<GAQ_从图中可以看出无论两者比值如何在极小值点两侧均有段区域线性度较高-对图2W种情况求出I的导函数药到图2会砖-（a）强度示意图（m=/h）0.0000.0020.0040.006O.OOK<).010x/m(d)R部放大图(.4,-154:)（e）尚度导函数府部图像（4.-40图2信号强度随位移变化的模拟图像由计算机模拟和分析可知在零级两侧线性度d2如果x和d比L小一个数量级及以上则可以认为+C2<7>性度较高的区域作为工作区间-由于xd匕时式近似为代入。>弋得到

9、I=/_±Ag<)1O在W相差不大的情况下岭A=f=AJTT以进一步简写(T设无气流时的接收器位置为X称为工作点.设工的第一极小值点对应位置为Xm-取_v打+4L?e_4dT线性近似的匚作方程歹以*示为O2><43>信号发生器离心风机接收褓放大归CASSY控耕模块仪器系统布局示意图3.1.1QASSTLt>CASSrLdz»系统是I公司开发的、支持8S&/系列传感器和采集模块的软件-通过国软件可以直接测虽发出和接收声脉冲的时间差-将计算机的串行通信接IICASSLdo系统采集模块连接诚可利用CASST系统中的传感器自动采集实验数据-同时

10、还可用该软件对数据进行实时取工作方程斜率-k=12*XXm处理-极大地方便了实验的数据测量与处理-3.1.2主要参数S实验中主要仪器参数及环境数据见表1-流速和信号强度的关系为较高-1.3波束偏移效应当介质以垂直于发射器、接收器正对方向的速度li流动时QL图1其携带的声波将发生漂移锻漂移距离为Ax*项JAx=UsV其中S为一束声波i从发射器到接收器的传播距离-当UV时刀以忽略导的变化-当接收器位于X位置时危：K可写成VIAx,=VX和x无关到Ax=气iV在接收器所在的横向直线上这表现为干涉图像的漂移J1漂移距离和介质流动速度U成正比-2近似方程和测量方案1. 1近似方程在实际测量时如果信号和被

11、测鼠存在或近似存在线性关系将大大降低系统设计和使用过程中的复杂程度.由前述的讨论可知可以选择第零级两侧线kl.2. 2测量方案分析当前条件下介质中的声速需要事先测量得到本文利用QASS/系统平台测得-另外湖I度变化会导致声速变化.考虑空气和气温对声速变化起主要作用-一般来说病于1个标准大气压B6湿度、GM%的06浓度的空气3>15C和35C的声速误是为3.7%-对J'液态水"根据J.等的经验公式计算3.15C和W的声速误差为3.6%-所以在精度要求不高的工业应用中习以不予考虑3-但在精度要求较高的场合下希要对5>七中的声速v进行温度修正到函<06>为了

12、简化测虽，木文在实验时保证r在恒定温度下测量所以花计算时不考虑温度的影响-3实验与分析3. 1仪器系统仪器系统主要包括Ldo系统平台B3/V离心风机和816型风速计争中QASSYL>系统平台主荽由控制器信号发生器敬大器和换能器等仪器组成-图3为整个仪器测量系统示意图-表1主要参数U零级峰值电压/V816型风速仪箝度/%坏境温度/%4.922.0951.433±5222. 2实验与分析3.2.1实验设计在无风情况卜先测量接收器所在直线上的信号强度最大值出I零级峰值ye等在信号发生溶无输出的情况下测量背景噪声yg调整接收溶位置吏干涉强度约为峰值一半剖星信号记为g。-启动离心风机以不

13、同转速使换能器间的空气基本匀速流动分别测量信号发生器有输出或无输出下的接收器信号强度和yg。,并用风速计测量空气流速!_5确定误差12站考虑测量误差以及风速计标称准确度舟口-在空气流速为1_1的情况下争干涉强度QA电压表示为丫。=y氧<J7>零级峰值强度为<)<)=yiupcy<iikO183.2.2实验结果取工作斜率k=-2!6CM4n更中A用匕W代入由可求得气体流速广15Ll2为信号强度和气体流速测量数据.表2实验数据s1AtC.>VtZns1相对误差/%OO0.0O8B20.00o1.50.10.8361.8B25.33.00.2O.-D2351.74

14、.60.2O6B14875.96.00.4O.61A6.3D8.37.60.50.5®BCD6.59.00.6O.4S59.M7.1TO.40.60.45110.450.512.008O3B711.990.11320.90.32313.E52.7W.80.9O.23D1.416.01.0O.2T716.130.8空气流速U和风速计测虽空气流速Ug曲线图见图4-山式3&计算得出的空气流速U和用风速计测量空气流速比较曲线图可见洲者测得的数据基本吻合-平均相对误差为5.5%-3.2.3误差分析本实验的主要误差来源于所使用的标定仪器尤其是816型风速仪出测量头体积较大。；叶式设计图4

15、流速比较影响灵敏度g由实验中对不同风速进行了多次测量获得了比较理想的数据，并采用了多次测量取平均值的方法来减小风速测量帝来的误差-实验中贝机刚刚开启时会产生一个频率约为18叱KJ明显的噪声信号随着风速变大该信号频率变化不大.由于测量流速通常不需要让换能器间隔很大距离起声波在介质中传播的衰减不明显或采用更高频率的换能器将有助于减小误差-实验的另一个误差来源于系统平台的硬件条件怀文采用的是4OUH2的超声换能器-在管道中左右的环境噪声最强臼心-虽然本实验中各组数据已经减去相应的环境噪声强度但是噪声对超声波干涉波形产生的影响是无法消除的臼山-为了减小这些误差疫验中利用宽拾音范围的麦克风和示波器在切断

16、换能器信号源的情况下对风道噪声进行了定性测定-4总结利用双超声波干涉偏移法测量流体流速系统具有以下特点方法简单、测量响应快能测星低流速下的流体介质的流速实验数据表明推导出的近似公式的线性度较高.如果需要进一步扩大删量范围则可以对数据进行非线性拟合这将是下一步研究的重点.另外.本系统以换能器输出电压为被测量故其绝对误差不受风速的限制.一定范围内流速和电压的关系可以作线性近似处理-本装置己经中请到国家发明专利.参考文献李茂山.一神牯确测*超声波速按的方法瑚声波干涉测算:声速EQ实用测试技术J9SBC3巨周天赐刷：水桥.基于超声波干涉的拟合法计绍声速及其误差分析匚浙江大学学报3?学版：811（下转第

17、66页）4结论<4）分析了减振器非磁性液缸内磁性液体的频率与外加磁场间的关系并得到频率的计算表达式.>当外部振动频率变化时9卜加磁场使得磁性液体固有晃动频率与激励频率之比为某一定值时减振效果最佳因此调谐式磁性液体减振器能在较宽的频率范围-直保持减振效果最佳实验结果与理论致性较好.实验发现鸟激励频率发生变化时展振器液缸内磁性液体液深不变外加磁场能够改变磁性液体固有晃动频率从而达到最佳减振效果的基础上使得减振器减振效果随磁场增大略有提升.参考文献E3陈套.李爱抑-张志强各.自立式高耸结构愁吊我TMD诚振助E3糖专掀胃5¥矗唁程赭磁?1所始魂¥8振探讨B坞JE程与程振

18、动.2D140V1河1RTOM8HAOXXNGHEwTCNGFEIGE-MZMOUNCONG.采用万向支架陀蝶仪的高段结构诚振控制研充匚口01律僧衬专程:男.半主动变刚度-n_co政振控制的研究B振动与冲击-2012-3185X564&孔令仓.李立.王泽军名.调谐液体阻尼器对高层结构抗箴性团瓣乎按曹甲泳嗤结般砌淬剧振施与数值口.>模拟J.建筑结构学报20153613X313&ZHANGZ-ST7WOA-BASUBcfESGasrtUTeclcferrp»sCn_IZte1o-Mfc»fc>T<x>*tKlI.tqcfsvvcttLtt

19、iresLurgtctOArrst621钟振宁.楼文娟.设置非等戴面neo高层建筑在风荷我作用下诚报分析U1浙'.大学学报C.学版>-2O13-47>»CB1GICS763YAOJ-CHANGJ-LID-<t«IPecirCTTwsserSaGrxrflLidjucKsfcujtocr-L_C1UtxrrKflcfMefxtagn&h/fxtx-2D16-C2SECB3.日Oil李德才.磁性液体理论及应用QQ北京*1学出版社23C8.Ei刘鸾莉析庆浙-杨文荣.娥性液体微压差传感嚣动志建模研究ca电工技术学报-Rig刊ixs2B2谢召.李德才

20、.邢延思.新型破性液体微压差传感器的设计及耐压分析B仪器仪表学报-2CH5-36>a3K2D12MUOHNOK-SHIMCDAM-SWADAT.心8ftradRxfcfdiTtjyi-iJjmlomEvtiflLidvsAticFvdxlKomExftiCflJFbvsCtrcirBMto-2X8-2DD>23TV45G43J.一荐德才.E庆宙.成性液体阻尼M振器的设计与实驶研究CU栽人航天-2D13,19C5>7XP9.(553ROtfch/VtlMRE.rnEjxti-flLicfeCjZlNew1006-2D=W6GW8.BelBASHTovarv-lavrovao.m

21、itkovatFfcwxi<drt>cju<xtKTi£»o_rd音prrrrrTtrtimE<±JL£lJbcrrciMtcrfcfc-23CE5-2393DC21OB70BASHTOVOVGKABACHh»<OVDNKOLCBOVAYat口.FBBad-tcFthecnaTBScfmnStiz7flc4/TErri2«>ter-Q3CR252<5>=3123BW.GaZIYANGX.YANGQYANGW土H.axicjiTvmefendiK4A2Ictarj»匕Horrli

22、rtJCtrferrot;cr»EirtriiJtvt«fw«aserd2DT7=C5.-j日母杨文荣王强-秦佳峰蓦.基于磁性液体的寂振技术研究J.电工技术学报-2013-280?刊1X8SQ洞梁启神熊俊明-黄庆辉.调谐液体阻尼器对高层建筑和高耸结构动力反应控制研究综述B世界地震工程.2m-iaCi>=23328,2316-126ZH-EB31.上接第61页）耳丁向辉-李平小；晓禅.高精度超声M速测盘系统设计与实现B仪发技术与传螃2S-2011。海3»4罗守南，基于超声多普勒方法的管道流量测电研咒正口.北京新华大学.208尽黄永峰.时差式超声流fit计新测量方法的设计与实现£»哈尔滨聚尔滨T.程大学.200763梁国伟探武昌.流量测H技术及仪表RiU北京WLWi工业出版社-23Ce&3CRAMBEO.