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超声波传播特性及其测试装置研究

杨玉杰  
【摘要】:超声波声速特性是超声波测量领域中影响测量精度的关键因素。如超声流量检测技术在能源计量中占有重要地位,其计量准确性受超声波传播介质及温度、压力等环境条件的影响。然而长期以来,对超声波声速随流体介质、温度和压力的变化规律以及超声流量计在不同介质、温度和压力下的补偿方法还缺乏充分的研究,导致超声流量计的计量准确度难以进一步提高,大大限制了超声流量检测技术的发展和应用。因此,有必要对超声波在不同介质及不同温度压力下的声速特性进行研究,进而改进和完善相应的补偿方法,提高超声流量测量技术的计量准确度。本文的主要研究内容为:(1)首先根据研究目的确定了系统的设计方案,包括测量装置的设计和声速测量方案的设计,其中测量装置的设计主要包括装置测量容器的设计、气体和液体控压方式设计和控温模块的设计,并根据设计方案搭建了测量装置。(2)根据声速的测量方案设计了超声波声速的测量电路,包括测量系统的硬件设计和软件设计,其中硬件部分主要包括:信号产生和相位测量模块、超声换能器信号驱动模块、超声接收信号处理模块、信号采集与显示模块四部分;软件部分主要包括下位机软件设计和上位机的软件程序设计。(3)利用测量装置和测量电路进行了空气和水介质中的超声波声速特性的实验研究,实验首先对装置进行了密封性(包括气密性和液体密封性)实验,在验证装置密封性良好的前提下,在自来水介质中分别进行了零压力和1MPa压力两种条件下的温度-声速特性实验,并进行了温度分别为15°C和20°C时的压力-声速特性实验,在空气介质中分别进行了零压力和0.4MPa压力两种条件下的温度-声速特性实验和温度分别为15°C和17°C时的压力-声速特性实验,实验数据的重复性良好。(4)根据所得的介质-温度-压力-声速的测量数据,分别总结了空气和水两种介质中超声波声速与温度压力关系的数学模型。并分析了模型的应用。


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