基于空气耦合LAMB波的气体流速测量方法的研究

Flow detection is an important means of pneumatic system energy conservation and management. At present, the pneumatic system flow detection technology includes intervention type and non-intervention type, which have their disadvantages. When we adopt the intervention type, we need to destroy the pipeline, which not only affect the production, but also will cause the pressure loss, reduce the pneumatic system efficiency. As for the non-intervention type, the incomplete theory and the immature of production on the market are all its shortages. On this paper, firstly, we raised the air coupling mechanical wave (Lamb wave) gas flow measurement technology to deal with the problem that the pneumatic system (non-intervention) ultrasonic flowmeter was enslaved to the coupling agent in the application. In addition, contrapose the problem of huge energy consumption when the Lamb wave penetrated the shell of pipe, we carry out the research of the high-energy excitation based on the air coupling Lamb wave and the signal reception technology. Finally, by analyzing the characteristics of wave field, we put forward the theory of wave field migration, which revealed the relationships between the signal time difference and the flow velocity, avoided the large measurement error brought by the short measured time. This is a gas flow measurement technology based on the air coupling Lamb wave. This topic provided an easy to use and high precision of non-intervention flow detection technology for the pneumatic system, which has great significance to improve the efficiency and the management levels of pneumatic system.

流量检测是气动系统节能与管理的重要手段。目前气动系统流量检测技术分为介入式和非介入式两种。采用介入式流量计需要破坏管道，不仅影响生产，而且会造成压力损失，降低气动系统能效。而对于非介入式流量测量技术，其理论不够完备，市场上仅有的少量产品也不够成熟。本课题首先针对气动系统（非介入式）超声波流量计在应用中受制于耦合剂使用的问题，提出采用空气耦合机械波（Lamb波）的气体流量测量技术；另外，针对Lamb波在穿透管壁过程中大幅衰减的问题，开展基于空气耦合Lamb波的高能激发及其信号接收技术的研究；最后，通过分析波场特性，提出“波场偏移”理论，揭示信号时差与流速的关系，避免较短的被测时间带来的较大测量误差，最终形成一种基于空气耦合Lamb波的气体流量测量技术。本课题为气动系统提供一种使用方便，精度高的非介入式流量检测技术，对于提高气动系统的能效及管理水平具有重要意义。

非介入式气体流量测量，由于采用“管外安装式”结构，不需要破坏管道，不影响气流的流动状态包括压力损失和湍流强度，可实现管网多点流量临时检测。因此，非介入式流量测量是本领域的发展趋势，在现代工业中具有广泛的应用前景。.目前，非介入式流量测量理论不够完备，导致该技术不够成熟，非介入式流量测量仍不是主流的流量检测技术，还不能产业化应用。本项目提出了一种采用空气耦合Lamb波的气体流量测量方法，引入空气耦合替代耦合剂，利用Lamb波在管壁激发的共振，使超声波高效穿过管壁进入气流，实现非介入式流量测量，具有重要的推广价值。.研究了基于空气耦合Lamb波的气体流量测量技术。由于该技术的有效性严重依赖于对测量系统的波场特性，而多物理场建模可以提供便利和准确的分析方法。建立了测量系统的多物理场模型，为后文的波场分析提供途径，并指导后续研究。.研究了基于空气耦合换能器的泄漏Lamb波检测技术，为信号的激励和接收提供理论基础。研究了波场特性，揭示了入射角度与激励Lamb波能量之间的关系。观测出影响信号接收的“反射效应”，即，机械波在换能器与被测板状结构之间的反射，引起额外信号的激励或接收。.研究了空气耦合Lamb波的流速测量技术，其信号时差与流速呈现新的关系。提出了“波场偏移”理论，揭示了信号时差与流速的关系：信号的传播时间偏差主要来源于薄板中的Lamb 波激励位置受气流作用后的偏移。.为了开展基于空气耦合LAMB波的气体流速测量方法的应用研究，建立了LAMB波的气体流速测量系统及其实验平台。设计和制作了系统的原理验证样机，验证了“波场偏移”理论的正确性，验证了采用泄漏Lamb波检测气体流量的可行性，为泄漏Lamb波气体流量计的设计和优化奠定了基础。为非介入流量检测提供了新的思路和可行技术途径。