内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第三章 气固两相流浓度测量系统
该系统包括气固两相流发生装置和超声波检测装置。下面将分别介绍这两种装置。
3.1气固两相流发生装置
该装置如图3-1所示，综合第一章第二节的超声波检测气固两相流的困难，在进行实验时应该尽量避免所述情况的出现。因此，设计了一个立式装置，既避免了所测量物品沉积在测量处，还可以改善物品之间相互摩擦所产生的噪音干扰。采用单一的介质——细沙，颗粒大小接近煤粉，取材于包头市响沙湾，如图3-2所示。
图 3-1 气固两相流发生装置 图 3-2 包头市响沙湾
装置最上面是用来盛沙子的直径为48cm，高为48cm的铁桶。外围是焊接的铁架子用来放置铁通和固定长方形管道。底部是和顶部同样规格的铁桶，用来储存从上面的铁桶流下来的沙子。中间是管道（两侧钻有直径为4cm的圆孔用来固定超声波探头），该管道是由两对亚克力板组成。
一对亚克力板规格是长为160cm，宽为53cm的长方形。另一对亚克力板规格是长为
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160cm，宽为10cm的长方形。超声波探头圆孔距离沙子出口处1.2m，这个时候检测到的沙子浓度最均匀。探头安装如图3-3所示。
图 3-3探头安装示意图
气固两相流的固相浓度是通过沙子的流量来控制的，而沙子的流量控制则使用如下图所示的漏沙板：
图3-4漏沙板实物图
小孔的直径为8mm，每一个小孔的沙流量代表一倍浓度。
3.2超声波检测装置
超声波检测装置时整个气固两相流检测系统的核心装置，下面介绍一下本实验过程
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所用到的超声波检测装置（集收发装置、换能器、切换电路和信号显示仪于一体）。 3.2.1超声波换能器
常被用来产生和接收超声波信号，能够完成机械能与电能互相转换的器件称做超声换能器，也可以称为超声传感器。通常超声波换能器都有一个机械振动系统和一个电储能元件。当换能器工作在发射器状态时，换能器内部的储能元件将在激励电源的电信号的作用下引发内部的电场或磁场变化，在某种效应的作用下，这一变化会给换能器的机械振动系统产生一个推力，使其处于振动状态，这一推力进一步推动与机械振动系统相接触的介质发生振动，辐射超声波。这一过程完成电能到机械能再到声能的转换过程。当换能器工作在接收器状态时，其接收过程与上述过程完全相反，信号先由介质传递给机械系统，再由机械系统传递给储能元件，换能器依次完成声能到机械能再到电能的转换。
超声换能器的种类很多，按照换能器的工作介质，可分为固体换能器、空气耦合换能器以及液体换能器；按照换能器的工作状态又可以分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。如不加特殊说明，本文中选用的换能器为收发两用型超声换能器。
在以液体或者固体为负载的应用场合，如超声检测、超声治疗、超声清洗、金属焊接等，压电陶瓷换能器得到了很广泛的应用，其原因在于换能器能够与液相或者固相传播介质实现较好的声匹配。然而，在以气相介质作用主要传播介质的场合，普通压电换能器将不再适合，因为它们的声阻抗与空气相差甚远，声波不易辐射出去。在这种情况下，必须选用空气耦合超声换能器。
在设计和研制空气耦合超声换能器时，必须考虑超声波的吸收对频率的依赖性。空气中声波的衰减系数大致符合近似计算公式。20℃ 时的空气 α为：
α=1.32×10-11 f2 （3-1）
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式中f为超声波频率（Hz），当声波频率较高时，空气对超声的吸收将随着频率的提高急剧增大，导致声波的传播距离受到很大限制。空气中超声波的衰减要远比水中和固体中的衰减大得多。
使用高频超声波可以提高测量分辨率，但同时会降低测量区间距离（即可被探测到的有效声波的传播距离）和待测样品浓度测量上限（在不考虑粒径的前提下，稀释样品浓度与声衰减成正比例关系）。但这仅仅是选择换能器时需要考虑的一个方面，除此之外以下几个方面的制约因素也需要同时考虑： （1）换能器的方向性。
换能器的方向性对于检测系统来讲，十分重要。换能器大小、形状和工作频率等因素共同影响着换能器的指向性。一般来讲，如果换能器尺寸越大，那么其方向性就越好。 （2）应用环境存在的噪声。
大气环境和颗粒在管道中流动时都可能会产生超声信号，但绝大多数信号频率在 50KHz 以下。如果选用的换能器的频率低于 50KHz，那么将在实际测量中将不可避免的引入一些噪声信号，给后续的信号处理带来麻烦；甚至得不到有效的超声信号。 （3）换能器的尺寸、灵敏度和带宽。
一般来讲，换能器需要同时具备有较好的较高的灵敏性和带宽，但是具体的应用环境对换能器的尺寸也有一定的特殊要求，换能器尺寸必须能满足现场检测环境。 3.2.2切换装置
收发一体的超声波换能器既要作为超声波发射器又要作为超声波接收器。为满足系统实时性要求，其功能的切换需在很短的时间内完成，这就需要专门的切换电路来实现。切换电路实质为放大版的智能开关，其一端连接脉冲发射/接收仪，一端连接信号处理装置，另一端连接换能器。默认状态是换能器通过切换装置与信号处理装置连通。当阵列中某一换能器需要工作在发射器状态时，切换装置就将其与脉冲发射/接收仪连通，其余
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仍旧保持与信号处理装置连通。自动切换时，换能器工作状态的选择由一个专门的处理器来控制。由于换能器采用脉冲激励方式，且其激励电压可达 200V 以上，普通半导体的多路模拟开关切换电路不再适用。同时为保证换能器工作在接收器状态时，其激励通路零电流，装置选用继电器作为切换隔离器件。 该装置在可以保证换能器功能正常有序切换的同时，有效降低了感应电磁信号和分布电容带来的电噪声，保证了信号的质量。 3.2.3脉冲发生接受仪
脉冲发生接收仪的作用是为换能器提供激励源，系统中采用的脉冲发生接收仪为汕头超声股份有限公司的CTS-65，主要功能特点及性能参数如下： （1）支持一发双收 （2）波形实时显示
（3）软件实现准确、快速自动判读声时、声幅诸参数、记录存储测试波形、数据现场 回放
（4）连续法检测、避免漏测，跳测，有效防止缺陷误判 （5）频带宽度: 10KHz ~ 1MHz ，10KHz ~ 200KHz
（6）增益范围：最大增益80dB，步进1dB，每10dB误差小于正负1.5dB （7）调零范围：1 ~ 10μS
3.3本章小结
本章主要研究了本文所需的两件实验装置，气固两相流的发生装置和超声波的发生
装置。以及实验过程中可能会受到的干扰。
（1）气固两相流的发生装置，样品取材，实验装置材料，设计尺寸，发生原理。 （2）超声波检测装置，超声波换能器、切换装置以及脉冲发射接受仪。
（3）换能器对实验的主要影响影响因素有换能器的方向性、实验环境存在的噪音以及换
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