换热管道污垢检测回波频率优选数值模拟与实验

在换热管污垢检测中,多物理场耦合作用下的实验还不具备开展条件,因此,建立准确的超声波传播模型,进行回波频率优选数值模拟具有重要意义。以有限元为基础,基于COMSOL Multiphysics建立了不同换热管特征下3D有限元模型,讨论了其传播特性与换热管特征和回波激励之间变化关系,求解出多层管道特征频率与回波振型。结果表明:不同换热管特征(管材和壁厚)与压力载荷之间具有相似交互关系,采用超声时域反射法检测管道污垢厚度,至少选取5 MHz回波激励,才可抑制伪吉布斯带来的振荡问题,最优检测频率为10 MHz,且壁厚在3 mm～5 mm时,检测效果达到最佳。数值模拟与实验结果一致,对管道沉积污垢的检测误差能控制在±5%以内,为不同管材特征频率选择提供了定量检测依据。     

基于Chirp激励的管道污垢超声导波检测频率优化选择研究

采用传统的单频信号作为污垢管道导波激励信号,须进行反复多频测试以确定最佳检测频率,存在一定盲目性以及时间、资源耗费等问题,提出一种宽单频转换算法,在采用宽频chirp信号作为污垢管道超声导波激励信号基础上,利用该算法对其响应信号进行后处理,可获得其频带范围内等同于单频信号激励时的响应,通过对比不同频率导波响应的能量分布及模态纯度确定最佳检测频率,并结合时频分析方法,根据污垢管道宽频响应能量分布情况快速确定合适的检测频率区间。仿真分析及实验研究表明:中心频率175 kHz最适合于所考察污垢管道导波检测,利用该方法确定污垢管道最佳导波检测频率的过程在减少采集时间的同时解决了多频测试的需要,为利用导波方法实现管道污垢由"点"到"线"的检测奠定了的基础。     

基于Lamb波的污垢厚度检测

首先在理论上分析超声导波在污垢中传播的特点,推导出超声导波在污垢中传播时会发生声强衰减和群速度降低的现象。然后利用波结构分析方法选择出适合污垢检测的A0、S1、S2模态,最后利用1.00MHz和2.25MHz超声导波探头进行导波污垢检测实验。通过实验可得,在激发声强大于35d B的情况下,可以使用上述模态进行污垢检测,通过检测结果可以计算出污垢平均厚度。     

惯性传感器和互补滤波器在姿态估计中的应用

惯性测量方法被广泛应用于机器人等运动物体的姿态检测中,本次研究利用惯性传感器和互补滤波器的优点进行姿态估计。为了获取互补滤波器的转接频率,进行了加速度计和陀螺仪的动态响应测试,设计了自适应互补滤波器。在双轮直立行走机器人装置上对方案进行了验证,实验数据表明,利用自适应互补滤波算法可以准确可靠的获取机器人的姿态信息。     

采用线性自抗扰技术的高精度温度控制系统研制

随着光电检测技术的发展,红外气体检测技术在诸多领域有着广泛的应用。温度对于气体浓度及同位素丰度检测有着重要影响,采用比例-积分-微分(PID)控制算法的传统温度控制系统存在超调、响应时间慢和精度低的缺点。针对上述问题,首先使用COMSOL软件进行有限元分析,确定加热结构;然后以STM32单片机作为主控器件,通过16位AD芯片LTC1864进行实时温度数据采集;最后采用线性自抗扰算法(LADRC)算法调节PWM波,实现控制半导体制冷器(TEC)对系统温度的高精度实时动态调节。在19.8℃的环境温度下,进行目标温度为32℃的温控实验。结果表明,采用LADRC算法的温度控制系统在稳定工作时,温度波动标准差为0.035 7℃,相比于采用PID算法的温度控制系统,具有无超调、响应时间快和高精度的优点。     

基于单片机的便携式条形码采集装置设计

现有的条形码扫描器通常和PC机连接使用,体积大,功耗高,不适合便携式条码采集的应用场合。针对该问题,提出一种便携式条形码采集装置的应用方案,装置以单片机和微型条形码采集模块为核心,以Micro SD卡为存储介质,可实现条形码数据的采集和存储功能。该装置具有体积小、功耗低等优点,可在便携式条形码采集应用场合推广和使用。     

基于Ansys的超声导波污垢管道振动特性研究

由于污垢在换热设备内积聚对设备的安全、经济运行产生了极大的影响,对换热设备产生的污垢快速、准确的检测尤为重要。利用Ansys有限元仿真软件分别建立空管道及污垢管道模型,研究超声导波在管道中传播的振动特性及波源对污垢检测的影响。研究得到了管道污垢超声检测的最佳激发频率及周期。与污垢管道实验研究相比较,结果表明:中心频率为1 MHz,周期为10的激励信号激发的L(0,3)模态导波适于外直径25 mm,壁厚3 mm的304钢管污垢检测。检测结果与数值模拟结果基本吻合,仿真所得到的导波模态及最佳激发频率可直接应用于实际检测中,研究结果为实现管道污垢厚度检测奠定基础。     

基于流固耦合的换热管道污垢超声回波检测数值模拟与实验

对换热管道污垢的有限元建模、耦合边界处理进行了分析与讨论,以压力声学与固体力学为理论基础,基于COMSOL Multiphysics中的PDE模式构建平面辐射声源下的声波振动控制方程,采用超声回波法对换热管道污垢厚度进行无损检测,求解不同振动频率下的回波振型和响应时间历程,为检测多层管材时模态和频率选择提供理论依据。针对多组不同管材污垢厚度回波特性,将有限元仿真与测点检测结果进行对比,验证了模型的准确性。基于换热污垢动态模拟实验装置进行了污垢定量实验。结果表明：采用实验和有限元结合的方式实现换热管道污垢超声回波检测的方法是可行的,数值模拟与实验结果吻合,超声波对管道沉积污垢的检测误差在±4%左右,该结果对工程在役换热集输系统的运行和清管具有实际意义。     

基于K-SVD超声渡越时间获取方法研究

在超声回波检测信号中,反映污垢特征的冲击信号非常微弱,容易被噪声淹没。针对信号稀疏分解中常用匹配追踪分解不够准确的问题,提出基于K-SVD奇异值分解的超声渡越时间获取方法,利用K-SVD训练得到超声回波信号的过完备字典,结合正交匹配追踪进行局部搜索适配原子,以提高信号稀疏分解的速度和准确度。基于Comsol Multipysics仿真软件建立充液污垢管道三维有限元模型,研究了超声回波传播特性规律。将K-SVD算法应用于超声回波仿真信号和换热污垢管道回波检测信号的处理,并与原始小波训练字典进行对比。结果表明：改进的K-SVD字典学习算法能够在提高信号稀疏分解的同时,获得较好的降噪结果和污垢特征信息提取,对超声检测信号的处理具有实际意义。     

基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制

为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO₂气体浓度,文中采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,选取波数4 978.202 cm-1作为CO₂检测系统的吸收谱线,采用有效光程为40 m的多通池,以STM32作为主控和数据处理核心器件,研制了高精度CO₂检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声,利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明,与滤波前相比,系统在50 ppmv CO₂浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO₂浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv),系统误差为2.57%～2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出,积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv,实现了对CO₂气体的高精度测量。结果表明,所设计的高精度CO₂系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。