超声波衰减规律与泥沙含量测量方法

超声波衰减规律与泥沙含量测量方法

参加浸泡测试是评估相关设备在含沙河流的机构动作时可靠性的必要项目。水中的沉积物含量是控制试验条件的重要参数。目前，试验系统没有成熟的数据收集能力能够及时反映河流中的沉积物含量。通过采样法确定沉积物浓度，即通过使用一定的河水干燥和称重沉积物的质量，质量与获得的河流体积之间的比率就是河流中的沉积物含量。只能根据河流的体积，而且只能根据体积的比例配置适量的土壤。这种方法需要很长的时间，不能满足实验中沉积物浓度的实际控制，严重影响了实验的精度。测定河水中泥沙含量的方法很多,但目前还没有成熟的技术能满足稳定性好、精度高、抗干扰强的要求.根据实际需要,通过理论研究,分析国内测量悬浮物的相关技术,总结出用超声回波增益补偿的方法来实现河水泥沙含量的测量方法.1声波衰减因素回波是由探头发射出去的超声波经媒质传播到反射面,被反射面反射后,又被探头所接收到的反射波.当超声波通过媒质传播时,其强度随距离的增大而衰减,对x方向传播的平面波而言,有:P(x)=P·exp(-α·x)(1)式中P,P(x)为初始点和x点的声强,α为衰减系数.对于含沙水流的情况,引起声波衰减的主要因素可用下式解释:α=αw+αp(2)这里α为水的吸收系数,是已知量;而αp为泥沙粒子引起的附加吸收系数,它主要由粘滞吸收系数αv和散射吸收系数αs所组成.1.1vc12s当泥沙的粒径很小或者声波的频率较低时,即满足k·r≤1(k为波常数,r为泥沙粒径)的条件下,声波的衰减主要由粘滞吸收而引起.理论上存在以下关系式:αv=12⋅ωCw⋅Vc⋅(α−1)2SS2+(α+τ)2(3)αv=12⋅ωCw⋅Vc⋅(α-1)2SS2+(α+τ)2(3)其中α=ρ2ρ1‚τ=12+94r(ω/2μ)12α=ρ2ρ1‚τ=12+94r(ω/2μ)12;S=94r(ω/2μ)12[1+1r(ω/2μ)12]S=94r(ω/2μ)12[1+1r(ω/2μ)12];μ=ηρ1μ=ηρ1;Vc为悬浮粒子的体积浓度,ω为声波角频率,Cw为纯水下的声速,ρ1为水的密度,ρ2为粒子的密度,η为水的动力粘滞系数,μ为水的运动粘滞系数,r为粒子半径.1.2超声回波的衰减规律当k·r≤1的条件成立时,对刚性泥沙粒子而言,αs和单位体积内的粒子数m之间的关系,可用常见的瑞利散射形式表示(θ为散射角):αs′={29πmK4r6(当sinθ≈1)718πmK4r6(当sinθ≈0)(4)αs′={29πmΚ4r6(当sinθ≈1)718πmΚ4r6(当sinθ≈0)(4)把单位体积内的粒子数表示成体积浓度的形式可得:αs={16vck4r3(当sinθ≈1)724vck4r3(当sinθ≈0)αs={16vck4r3(当sinθ≈1)724vck4r3(当sinθ≈0)(5)对于浸河水试验系统而言,由于浸河水试验用的泥沙粒径、比例、刚性等条件的相对恒定,所以在本系统中,影响声强的只有波常数k、泥沙水流密度ρ和传播距离x.由此式(1)可以转化为:P(x)=P·exp[-cm(k/p)4x](6)式中c为待定系数.根据产生声波晶体的压电效应,可以将声强的变化转化为电压幅度的变化,最终得到超声回波在含沙水流中的衰减规律为:An=An0exp[-cm(k/ρ)4x](7)式中An0为清水的n次回波幅度;An为含泥沙水流的n次回波幅度;c为待定系数;m为单位体积的沙粒个数;ρ为含沙水流密度;x为探头与反射面间的距离;k为波常数.式(7)表明了超声波在如图1的装置中回波衰减的规律.超声波的反射幅度An,随着含沙量的增大会渐渐地衰减而消逝,当浓度增加到一定的数值以后,就不会有反射波的出现,即达到了测量的上限,限制了量程.为了扩大测量的量程就必须增大电路的增益.但是如果一开始就将增益做得很大,在测量低含沙量的水流时,An衰减的很小,几乎不能分辨,即分辨率不高,导致精度差.采用增益自动调整的方法,就可以克服上述缺陷.2测量量法2.1增益补偿法则图1是超声回波测量水中含沙量的原理示意图,超声回波信号,特别是测量含沙水流的回波信号接近于零时,信号幅度不稳,时隐时现,时高时低,并会出现不断地抖动的现象,给测量带来很大误差.原因是探头发射的能量过多地被含沙水流吸收而衰减了,又没有新的能量来补充.增益补偿法则以增大增益的量值来补偿信号幅度的衰减,即以新的能量补充给探头,使探头能够发出更多的能量,来补充泥沙所吸收的能量,这样保持探头所接收到的反射波能量不变,即回波信号的幅值不变,从而使信号稳定.以清水的回波信号的幅度(取值2V)为基准点,来度量含沙水流的含沙量.当水流含有泥沙时,因泥沙对发射波声能的吸收和衰减作用,其回波幅度必定小于2V,为了得到2V的回波信号幅度就必须加大反射功率.这样就将含沙量的变化转化为发射功率的变化上来了,也就是增益的变化反映了含沙量的变化,这就是本测沙方法的基本出发点.2.2动态增益放大电路测量系统的结构原理如图2所示,主要由同步信号发生器、发射电路、探头、接收放大电路、检波电路、整形电路、控制电路、采样保持电路、程控增益放大器、功控微机、稳压电源等构成.其主要工作过程是:采样保持电路n次回波峰值进行捕捉,峰值检测比较器将捕捉到的信号与An0进行比较,若An<An0,程控放大器自动调大增益,使An=An0;若An>An0,程控放大器自动调小增益,使An=An0.这样通过程控放大器自动调节放大电路的放大倍数,来适应含沙量的变化造成的An的变化,始终使An=An0,通过读取增益数,而得知含沙量的多少.(1)同步电路是产生整个系统协调工作的同步脉冲信号,用以同步触发发射电路、时基电路及闸门电路等部分,使它们的输出信号与这一信号保持一个稳定的输出关系,即同步关系.同步脉冲的前沿必须是陡峭,以适应外界条件的变化而使工作稳定.(2)发射电路是产生幅度很大、很窄的高压尖脉冲,以激励超声波换能器产生高频震荡,从而形成具有一定功率的震荡波.(3)接收放大电路主要用于接收回波信号、保护放大电路.接收电路必须采取一定的措施,保护放大器里的三极管不被高压脉冲击穿,同时又能将反射面反射回来的脉冲信号毫无衰减地送入放大器里进行放大.(4)采样保持电路的功能是检测瞬间的脉冲峰值并将其保持住,以供程控增益放大器进行自动调节增益之用.(5)峰值检测电路的原理是通过比较器输出峰值电平,利用程控放大器获得此时的峰值电平,通过给采样/保持器一个恒定的保持信号,保持住峰值电平.(6)增益补偿测沙电路中的数字部分,是由以程控增益放大器为核心的电路来实现的.程控增益放大器原理如图3所示,这是利用改变反馈电阻的办法来实现增益变换的放大电路.当开关K1闭合而其余两个开关断开,其放大倍数为:Af=-R1/R(8)当K2闭合,K1和K3断开时,放大倍数为Af=-R2/R(9)利用软件对开关闭合情况进行控制,就可以实现程控增益的变换.该系统的程控增益放大电路,可由译码器模拟开关及多种阻值的电阻阵列组成.为简化电路、减少元器件,在电路设计时,由测量含沙量的范围来确定增益的上下限,再由这个上下限来安排电阻阵列的编码算法,即用最少的电阻,通过编码进行电阻间的并联连接,达到所需的增益的阻值,它纯粹是一种编码算法.提出