超声波多普勒流速测量方法的信息窗区域控制研究.docx

1、第35卷第5期2001年5月Vol.35Nq5May2001西安交通大学学报JOURNALOFXI'ANJIAOTONGUNIVERSITY文章编号：0253487X(2001)05*045594超声波多普勒流速测量方法的信息窗区域控制研究李昕1,王子延2（1.西安交通大学电气工程学院，710049,西安；2.西安交通大学能源与动力工程学院）摘要：通过对超声波多普勒信息窗区域的控制，实现了管流内部流速的分区测量.研制出的发射传感君和接收传感器，能够分别产生细长的发射声束和接收声束，使信息窗区域面积能够控制在很小的范围内，位置也被控制在设计值处，满足了分区测量的要求，设计的模拟管道流动装

2、置，能够提供管it流动截面上某一小区域上的流速，为分区测量提供了信号源.成功地进行了信息窝区域面积的控制和位置的实验测量，测量值与设计值吻合得很好，关健伺：多普勒效应；超声波传感参;散射回波中图分类号：R443文献标识码：AInvestigationonControllingtheAreaofInformationWindowbyDopplerUltrasonicMethodLiXin1,WangZiyan2(I.School&EtectricalEngineering,Xa'anJiaotongUniverity,Xian710049,lun»2.SchoolofE

3、nergyandPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniveraiiy)Abstract:AmethodtomeasureflowvelocityinaspecialregionbyoontrtlingtheinformationwindowofaDopplerultrasonicflowmeterispresented.Asetofemitterwhichslenderizetheacousticwavehasbeendesigned,andalsoasetofreceiverwhichselectthescatteredacousticwaveaccord

4、ingtothepositionofthescatteringpaniclehasbeendesigned.Inthiswaytheinformationwindowcanbepositionedinasmallareainadesiredposition.Experimentwasgonebymeasuringthevelocityofsmallbubblesandthemeasuredvalueisveryclosetothesetvalueofthebubbleemitter.Keywords：Dopplereffectultrasonicsensor；scattering-uxive当

5、超声波声源和反射界面或散射体之间存在相对运动时，被反射或被散射的超声波信号的频率将产生弯化，该频率与声源超声波频率之间的差值与相对运动的速度成正比.这一现象是物理学家ChristianDoppler于1842年首次发现的，被称为多普勒效应【卜3.接收信号的频率与声源的原率之差称为多普勒频移.相应的频差值号称为多普勒信号.当流体中存在着可供反射或散射超声波的跟随粒子（例如植气泡、固体粒子等）时,便可利用多普勒信号确定流体的速度与流量.图la所示为传统超声波多普勒流量计流速测量的工作原理示意图，发射换能器的发射区域与接收换能器的接收区域的重叠部分就是大面积信息窗区域，在此区域的散射粒子或微气泡的流

6、动将会产生多普勒频移.通过对此频移信收稿日期：200006-07.作者简介：李昕（1968-）,女，博士生;王子延（联系人），男，教授，博士生导师.基金项目：国家自然科学基金资助项目（59676033）.号的采集和计算，就可以得到此区域中流体的平均流速和流量.在工业输送管道的流蕾测量中，流动状态可分为层流和紊流.层流状态的流速以抛物线形分布，而紊流状态的流速以对数形分布.传统的超声多普勒流量汁测量的结果是大面积区域内具有统计意义的平均流速，不能反映出流速分布的变化.当雷诺数变化很大时（例如由层流向紊流变化的过程中），流量的测量误差就会增大.本文主要针对管流断面上流速分布的不-致性,提出对超声波

7、多普勒信息窗区域进行控制，使信息窗区域的面积被控制在相对小的范围内，并且使信息窗区域分布在管流截面的不同位置上，如图lb所示.通过测量信息窗1、2、3区域内的流速来获得整个管流截面上的流量，这样不仅可以提高多普勒流量计的测量精度，而且还可以得到整个管流截面上流速的分布状况.该方法具有较高的创新性.1基本理论1.1声压强度传播理论当半径为a的圆形超声波源置于无衰减的弹性介质中时，若其表面上每个质点都可看作是以相同振幅和相位作谐振动的点源，则在介质中每一点的声压都可以认为是由点源在该点产生的声压的登加，如图2所示.在活塞压电晶片表面上，任取一面元d5作为点源，它在距其为r处的A点产生的声压可以表示

8、为（1）式中：P0为介质密度；如为声波在介质中的传播速度;J1为一阶贝塞尔函数.从式（1）可以看出，声场中某点处的声压强度与该点到声源的距离成反比，即声场强度随着发射声束的传播而逐渐减弱，1:发射换能器;2：接收换能胡】3：基底;4：管道壁$5：敷射物子或嫩气泡:6：倚息体（8）工作原理示意图1：发射换能器;2：援收换能器组；3：信息窗区域1、2、3;4：管道（b）m息窗分布图1超声波流量计原理图2J】（如sin。）如sin。1.2换能昌指向特性由式（1）可知，活塞换能器声场的声压不仅随距离r和时间I变化,而旦与方向角。有关，换能器声场中声压的指向因子当ka值不同时,声源的指向性也不同.当超声

9、频率越高、压电晶片直径越大、如越大时，辐射声束角8就越小，即指向性越明显，但是当超声频率比较低时，其指向性差，发射张角大.本文的研究内容之一就是要减小传感器声束的张角.2传感器的研制超声波多普勒流量计的技术难点和关键问题之457李昕.等:超声波多普勒流速测方法的信息窗区域投制研究一是传感器的性能，即发射与接收传感器的传输特性.本文所研究的问题是将发射声束与接收声束进行汇聚.对两束声束交叉的区域进行研究.交叉的区域即为流速分区测量的信息窗，信息窗的分布范围与分布位置对流速分区测量至关重要分区测量的关键问题是:信息窗尺寸相对于管流直径足够小，才能达到分点测量的效果;信息窗位置必须能够确定，以实现定

10、点测量.解决问题的途径主要有2条：一是从传感器的结构上进行研究；二是从后级处理电路上进行研究.本文的重点在于讨论前一种方法，即通过理论分析来设计传感器，并通过实验来不断改进和完善.21发射传感器的研制由于换能器发射声束的张角比较大，因而考虑在其前端加装一块有机玻璃声导，以改善发射声束.在前期的实验工作中,先后考虑过3种声导，分别为圆柱体换能器声导、变幅杆换能器声导和平凹透镜换能器声导.实验结果表明：圆柱体换能器声导发射的声束成发散状，即沿着声波的传播方向,声束逐渐变宽，因扩散角较大，指向性不能满足要求；变幅杆换能器声导发射的声束在近场相当窄，在3种换能器中最细.但张角很大，随着声波的传播，声束

11、直径迅速扩大,它的指向性在3种换能器中最差;平凹透镜换能器声导发射的声束近似平行，随着声波的传播，声束宽度变化不大，张角很小，指向性最好.通过大量地实验，最终选择平凹透镜换能器声导作为发射传感器.2.2接收传感器的研制当声源发射的超声波在水中传播时，遇到散射粒子就会发生散射".散射波由接收换能器接收.散射波向四面八方传播，各个方向的散射信号声压都有一定的强度,指向性不明显.本文经过大量的实验研究和探索，成功地设计了一个方向选择透镜来选择接收声束的方向.将此透镜安装在接收端压电换能器前端，使得只有传播方向为一特定角度的声波才可以穿过透镜，其他角度的声波将被衰减而无法穿过透镜，见图3.接

12、收传感器由压电换能器、方向性选择透镜和斜面声摸构成.发射传感器端的超声波换能器的频率为1MHz.方向性选择透镜由柱状声楔和吸声材料构成（图3中的阴影部分），其中柱状声楔的长度为两端均粘贴有圆环型吸声材料，圆环宽度为入，圆环中间就是透过窗,2个透过窗均由线接触产生，面积非常小，它们的位置对声射线方向具有选择性.只有恰好穿过2个透过窗的射线才可以直接到达接收端压电换能器，而沿着其他角度人射的声射线均被衰减.当散射回波信号沿轴向穿过时.声压将沿半径方向衰减，形成一条很细的散射回波信号声束，即接收声束,因此，安置了方向性选择透镜后，接收到的信号声束将会局限在一条狭窄的区域内，这样接收区域与发射区域的汇

13、聚部分（信息窗区域）将会很小.斜面声楔的斜面角为们P的选取对于接收传感器的效果也有影响，必须选择适当的尸角使得信息窗区域足够小，信号足够强.图3方向选择透镜原理示意图3实验装置与结果分析3.1实验装流体中的气泡或其他微粒随流体移动时可以产生多普勒频移，同样在静止的水中沿垂直方向从下向上发射气泡束，也可以模拟垂直方向的液体流动.这种方法的优点在于，气泡束不仅可以模拟流体的运动，而且还可以通过气泡束本身的位置，确定出其所模拟的运动速度表示管道截面上哪一块区域的流动速度.实验装置如图4所示.5个微气泡发射细管沿直径方向均匀分布,供气调节开关可以分别对其供气.每次只接通一路细管,使其能在不同的位置产生

14、沿着管道轴线方向的气泡束，从而模拟出管道截面中不同位置处沿着轴线方向的流动.发射传感器固定,Ho为62mm.接收传感器沿着垂直方向可上下移动，Hi为可变值，当移动接收传感器时，信息窗区域位置就会改变.当Hi为76.5mm时，信息窗区域调整在中心轴线上，刚好覆盖中心细管所发射的轴向气泡束产生的被测信号小区域（见图4）.依次类推，改变接收传感器的位置，可以使得信息窗区域覆盖每一个细管所发射的轴向气泡束产生的被测信号小区域.3.2实验结果实验结果如图5所示，X和Y表示2个互相正1:接收传感器:2：发射传感器;3：容脖;4；平台15：微气泡发射编管图4实验装置图位置Hi测量值计算值165.011.51

15、0.9138268.016.514.0827376.521.023.0614480.028.026.7363584.034.033.8147表1信息窗位豆的浏量结果与计算站果比较mm面上的位置，同时通过实验方法也可以测量出该位置表1是信息窗位置的测量结果与计算结果的比敦情况.其中，测量值表示信息窗区域的中心点与管道壁的距离.交的沿管道截面径向移动的方向，Z方向表示信息窗区域内信号的无量纲声压强度(即区域内所有信号的测量值与最大值之比).3块区域A、B和C分别代表Hi为68.0mm,76.5mm和80.0mm时的信息窗区域，面积&等于2、0mmX4.5mm,Sb等于2.1mmx4.8mm

16、,Sc等于2.2mmx4.7mm,被测量的管道内径为42mm,该区域的大小基本可以满足分区测量的要求.本装置可以测量5个区域,另外2个区域与图5所示的情况相似，未在图5中示出.图5实验结果微气泡发射细管的压力由多重阀门的调节来确定，气泡的速度由压力确定，在本实验中，微气泡模拟的流速为100m/s左右,每个细管的压力相同，提供给测量点处的流速均相同，因而测量得到的信号的平均频率也相同、根据发射和接收传感器的几何尺寸，以及它们在管道上的位置，可以计算出测量信息窗在管道截4结论(1) 通过对超声波传感器进行研制.实现了对发射声束的聚焦和接收声束的选择，获得了对信息窗区域的控制.(2) 设计出的模拟管道流动装置，可以提供管道流动截面上某一小区域上的流速，为分区测量提供了信号源.(3) 测量信息窗覆盖的被测小区域，就可以得出管道流通截面上的流速分布情况，为准确地计算出整个管道的流速和流量打下了技术基础.(4) 信息窗区域位置的计算值与测景值比较吻合，说明该方法可以实现对管道流通