高濃度懸浮沙粒濃度分布的超聲測量研究.pdf

1、近年來，涉及顆粒懸浮物濃度的測量問題正日益引起人們重視，水利水電工程建設(shè)、水文觀測預(yù)報(bào)、工業(yè)取水等許多領(lǐng)域都十分需要對河流、湖泊等水體含沙量和淤泥的即時(shí)檢測和監(jiān)測，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展以及質(zhì)量環(huán)保意識的提高，對氣力傳送和水煤漿等懸濁混合液的管道傳送、化工和制藥業(yè)各種乳劑生產(chǎn)中顆粒濃度的監(jiān)控等，都需要無浸入、無擾動(dòng)地測量懸浮物濃度。各種濃度測量方法中，聲學(xué)法較為方便、準(zhǔn)確、實(shí)用，對流體自身特性基本沒有影響，可以長期、在線、不間斷地檢

2、測和監(jiān)測被測溶液指定斷面的懸浮物濃度。 目前的聲學(xué)方法對低含沙量(濃度<10kg/m<'3>)的測量較為準(zhǔn)確，但高泥沙含量的濃度測量研究并不十分理想。本文旨在探究含沙顆粒懸濁液的聲學(xué)傳輸原理、聲信號處理方法、特別是高濃度含沙量的聲學(xué)測量方法，并根據(jù)所研究的理論模型，試制了相應(yīng)的含沙量濃度觀測設(shè)備。 本文主要開展了以下幾方面的研究： (1)研究懸浮物聲參數(shù)與其濃度之間的理論關(guān)系，從信號傳輸角度分析懸浮物聲散射的信號

3、傳輸機(jī)理，把現(xiàn)有懸浮物濃度測量理論中忽略的多次散射、聲衰減、各種檢測干擾等作用納入聲傳輸?shù)木矸e模型中，認(rèn)為在信號檢測過程中，對于高濃度懸浮液中距離測量換能器較遠(yuǎn)區(qū)域的真實(shí)背向散射信號，要經(jīng)過檢測系統(tǒng)響應(yīng)、聲程介質(zhì)的多次散射等作用傳輸影響后，才被檢測系統(tǒng)接收并輸出實(shí)際測量信號。對聲程介質(zhì)的影響提出了改進(jìn)的聲傳輸卷積模型。 (2)分析了傳統(tǒng)維納逆濾波解卷積算法對噪聲適應(yīng)性不理想的原因，提出一種改進(jìn)方法，利用檢測系統(tǒng)信噪比先驗(yàn)知識，進(jìn)

4、行頻域解卷積處理，在此基礎(chǔ)上，對檢測系統(tǒng)頻帶內(nèi)的處理結(jié)果建模，插補(bǔ)估計(jì)出頻帶外受噪聲干擾影響較大的數(shù)據(jù)，然后再變換到時(shí)域。計(jì)算機(jī)模擬及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些改進(jìn)方法較為理想，具有較強(qiáng)的噪聲適應(yīng)能力。 (3)探討利用超聲背向散射信號測量懸浮物濃度的方法，根據(jù)懸浮物背向散射強(qiáng)度與濃度之間的關(guān)系，估計(jì)懸浮物濃度分布。用歸一化濃度探討懸浮物濃度測量中各種干擾對濃度反演結(jié)果的影響，理論探討和仿真實(shí)驗(yàn)表明檢測系統(tǒng)和聲程介質(zhì)的響應(yīng)是主要的影響

5、因素。 (4)對實(shí)際測量信號，應(yīng)用本文提出的改進(jìn)維納逆濾波解卷積方法除去檢測系統(tǒng)和聲程介質(zhì)響應(yīng)的卷積影響，得到真實(shí)散射信號的最佳估計(jì)，推算背向散射強(qiáng)度，求出懸浮物濃度，與直接用實(shí)際測量數(shù)據(jù)推算出的濃度估計(jì)相比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高濃度懸浮物的情況下，應(yīng)用本文提出方法所估計(jì)的散射系數(shù)與懸浮物濃度之間仍然近似是正比關(guān)系。 (5)根據(jù)本文提出的濃度測量方法，試制了一套可以貼近實(shí)用的基于FPGA控制的含沙量觀測檢測設(shè)備，對理論