CN103697998B - 多介质温压可调的超声波传播特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多介质温压可调的超声波传播特性测量装置。现有的超声波传播特性测量装置不能综合考虑温度、压力以及介质对超声波传播特性的影响，测量结果不准确。本发明包括气路切换装置，调压装置，声速测量装置以及调温装置，所述气路切换装置同调压装置的一端相连，调压装置的另一端连接声速测量装置，所述声速测量装置置于调温装置内。通过气路切换装置将高压气体输入，高压气体经过调压装置进入声速测量装置，成为介质，通过调温装置进行调温。本发明的优点是能够综合考虑温度、压力以及介质对超声波传播特性的影响，测量结果更准确。

Description

多介质温压可调的超声波传播特性测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种多介质温压可调的超声波传播特性测量装置。

背景技术

超声波传播过程中会受到外界环境的影响，例如温度、压力、液体的粘度系数、换热系数等都会对超声波传播造成影响，但是目前对于超声波传播特性测量的综合研究有限，仅仅考虑单一方面的影响，对于超声波传播特性的研究不准确，因此需要一个对于多方面影响综合考虑的超声波传播特性测量装置。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，该装置能够综合考虑温度、压力、介质等对超声波传播特性的影响。

为解决以上问题，本发明采用了以下技术手段：多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，包括气路切换装置，调压装置，声速测量装置以及调温装置，所述气路切换装置同调压装置的一端相连，调压装置的另一端连接声速测量装置，所述声速测量装置置于调温装置内。

进一步，所述的声速测量装置包括测试管道、超声换能器、法兰、端盖、垫片、安全阀、截止阀、液体输入输出管道以及调压装置的管道，所述测试管道的两端分别通过法兰同端盖相连，第一端盖和第二端盖的中心位置分别放置一个超声换能器，所述超声换能器同端盖螺纹连接，超声换能器的螺纹底端同端盖之间增加一个垫片，第一端盖上放置温度传感器和压力传感器，第二端盖上开有一个调压装置输入孔和一个液体输入输出孔，所述安全阀及截止阀通过液体输入输出管道同液体输入输出孔相连，所述调压装置通过管道同调压装置输入孔相连。

进一步，所述的测试管道长为620mm，测试管道和端盖的总长为640mm，超声换能器为7.8mm，垫片厚度为1mm，超声波换能器之间的距离为d=640-（7.8-1）*2=626.4mm。

进一步，所述调温装置包括低温恒温槽，低温恒温槽的一端开有两个开孔，所述液体输入输出管道穿过第一开孔同测试管道相连，调压装置的管道穿过第二开孔同测试管道相连。

进一步，所述调压装置包括除湿器、一级缓冲罐、二级缓冲罐、压力调节阀、两个三通阀、第一截止阀、第二截止阀、液体加压活塞缸，所述除湿器的一端同一级缓冲罐的一端连接，一级缓冲罐的另一端同二级缓冲罐的一端连接，二级缓冲罐的另一端同压力调节阀的输入端相连，压力调节阀的输出端同第一三通阀的一端相连，第一三通阀的另外两端分别连接第一截止阀的一端和第二截止阀的一端，第一截止阀的另一端连接液体加压活塞缸的一端，液体加压活塞缸的另一端同第二三通阀的一端相连，第二三通阀的另外两端分别同第二截止阀和测试管道相连。

进一步，所述的液体加压活塞缸内有一个活塞，将所述液体加压活塞缸分成两个中空腔，第一中空腔同第一截止阀相通，第二中空腔同第二三通阀相通。

进一步，所述的气路切换装置包括气路切换开关和高压气瓶，所述高压气筒同气路切换开关的一端连接，气路切换开关的另一端同除湿器的另一端连接。

本发明的优点在于：解决了超声波传播特性研究过程中，只考虑单一方面对超声波传播特性的影响所造成的测量结果不准确的问题，综合考虑了温度、压力、介质对超声波传播特性的影响，测量结果更准确。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的测试管道结构示意图。

图3为本发明的调压装置示意图。

图4为声速测量的基本原理图。

具体实施方式

一种多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，该装置能够综合考虑温度、压力、介质等对超声波传播特性的影响。

一种多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，如图1所示，包括气路切换装置，调压装置，声速测量装置以及调温装置，所述气路切换装置同调压装置的一端相连，调压装置的另一端连接声速测量装置，所述声速测量装置置于调温装置内。

如图1和图2所示，所述的声速测量装置包括上位机28、相位角测量电路27、测试管道6、超声换能器3、法兰20、第一端盖4、第二端盖5、垫片、安全阀19、截止阀18、液体输入输出管道以及调压装置的管道，所述测试管道6的两端通过法兰20同端盖相连，第一端盖4和第二端盖5的中心位置分别放置一个超声换能器3，所述超声换能器3同第一端盖4、第二端盖5螺纹连接，超声换能器3的螺纹底端同第一端盖4、第二端盖5之间增加一个垫片，所述超声换能器3上带有一个引线，超声换能器3通过引线同相位角测量电路27相连，所述相位角测量电路27同上位机28相连，第一端盖4上放置温度传感器1和压力传感器2，第二端盖5上开有一个调压装置输入孔8和一个液体输入输出孔7，所述安全阀19及截止阀18通过液体输入输出管道同液体输入输出孔7相连，所述调压装置通过管道同调压装置输入孔8相连。

所述的测试管道6长为620mm，测试管道6和第一端盖4、第二端盖5的总长为640mm，超声换能器3为7.8mm，用于超声换能器3与测试管道6连接的垫片的厚度为1mm，因此，超声波换能器3之间的距离为d=640-（7.8-1）*2=626.4mm。

所述调温装置包括低温恒温槽11，所述低温恒温槽11的一端开有第一开孔9和第二开孔10，所述液体输入输出管道穿过第一开孔9同测试管道6相连，调压装置的管道穿过第二开孔10同测试管道6相连。

如图3所示，所述调压装置包括除湿器14、一级缓冲罐15、二级缓冲罐16、压力调节阀17、第一三通阀21、第二三通阀25、第一截止阀22、第二截止阀23、液体加压活塞缸24，所述除湿器14的一端同一级缓冲罐15的一端连接，一级缓冲罐15的另一端同二级缓冲罐16的一端连接，二级缓冲罐16的另一端同压力调节阀17的输入端相连，压力调节阀17的输出端同第一三通阀21的一端相连，第一三通阀21的另外两端分别连接第一截止阀22的一端和第二截止阀23的一端，第一截止阀22的另一端连接液体加压活塞缸24的一端，液体加压活塞缸24的另一端同第二三通阀25的一端相连，第二三通阀25的另外两端分别同第二截止阀23和测试管道相连。

所述的液体加压活塞缸24内有一个活塞26，将所述液体加压活塞缸24分成两个中空腔，第一中空腔同第一截止阀22相通，第二中空腔同第二三通阀25相通。

如图1所示，所述的气路切换装置包括气路切换开关13和高压气瓶12，所述高压气瓶12同气路切换开关13的一端连接，气路切换开关13的另一端同除湿器14的另一端连接。

超声波声速的测量是采用两种频率下的相位差测量法，其原理如图4所示：通过超声波换能器之间的距离、波长和相位角的关系，最终计算出超声波声速，其推导公式如下：

$\left.\begin{array}{c}d=(n1+\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\π}})\mathrm{\λ}1\\ d=(n2+\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2\mathrm{\π}})\mathrm{\λ}2\end{array}\right\}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{\πd}(\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1})-2\mathrm{\π}(n2-n1)---\left(2\right)$

令 $\mathrm{\Δ\θ}=2\mathrm{\πd}(\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1})=2\mathrm{\πd}\frac{\mathrm{\Δf}}{c}---\left(3\right)$

由方程组(1)得

$\frac{\mathrm{d\Δf}}{c}=n2-n1+\frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

当 $\frac{\mathrm{d\&Delta;f}}{c}<1$ 即 $d<\frac{c_{\min }}{\mathrm{\&Delta;f}}$ 时， $n1-n2+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1}{2\mathrm{\&pi;}}<1$

这样，本系统中,n1,n2的关系只有两种（取f₁＝39.683kHz,f₂＝40kHz），1：n1＝n2，即θ₂-θ₁＝Δθ，2：n2＝n1+1，即θ₂-θ₁＝Δθ-2π， $\frac{\mathrm{d\&Delta;f}}{c}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1+2\mathrm{\&pi;}}{2\mathrm{\&pi;}}=\frac{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}}.$

所以，

$c=\frac{2\mathrm{\&pi;d\&Delta;f}}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}---\left(6\right)$

测试管道的长度d应满足 $d<\frac{c_{\min }}{\mathrm{\&Delta;f}}=330/(40000-39683)=1.04m,c_{\min }$ 为0摄氏度时标准大气压下超声波的传播速度，Δf为选取的两个频率之差。

其中,d为超声换能器之间的距离即传播距离，λ₁为频率为f₁时所对应的波长，λ₂为频率为f₂时所对应的的波长，n₁,n₂分别代表频率为f₁,f₂时超声波在传播距离d内所传播的整数个波长，θ₁,θ₂分别为频率为f₁,f₂时的相位角，Δθ为相位角差，Δf为两个频率之差，由于f₁,f₂确定时，n₁,n₂可以确定，根据n₁,n₂的关系推出超声波声速c的计算公式（6），通过公式（6）可以看出d和Δf都为固定的已知量，故只需测量出相位差的值Δθ就可以得到声速c的值。当测得了相位差的值Δθ之后，通过上位机计算便可得到声速值。

相位差的测量原理如下：

$\mathrm{\&theta;}=p+L(\frac{m}{M}+\frac{n}{\mathrm{MN}})---\left(7\right)$

其测量精度是L/MN。

L等价于2π的相位角，p=0,故

$\mathrm{\&theta;}=2\mathrm{\&pi;}(\frac{m}{M}+\frac{n}{\mathrm{MN}})---\left(8\right)$

其中，M为主尺分度，N为副尺分度，m为主尺读数，n为副尺读数，θ为测得的相位角。主尺的计数脉冲由10MHz晶振产生，经过相位角测量电路27产生250分频之后f₂＝40kHz，即测量θ₂时M为250，相位角测量电路27产生252分频之后f₁＝39.683kHz，即测量θ₁时M为252。之后相位角测量电路27产生一定频率的信号去驱动测试管道一端的超声波发射换能器3产生同频率的超声波，经过长度为d的测试管道6的传播之后由接收换能器3接收，接收信号经过相位角测量电路进行鉴相和倍频（测量θ₂时进行251倍频，即此时N=251，测量θ₁时进行253倍频，即此时N=253），之后产生副尺的计数脉冲，主尺的计数值m由超声波换能器3的接收信号触发相位角测量电路27得到，副尺的计数值n由主尺和副尺技术脉冲的上升沿比较之后产生的比较信号触发相位角测量电路27产生，最终m,n被输入到上位机28中计算两种频率下相位角的差值并显示。这样相位的测量精度即该游标卡尺鉴相器的精度，当f₂＝40kHz驱动下θ₂的测量精度为2π/(250×251)≈0.0001rad，当f₁＝39.683kHz驱动下θ₁的测量精度为2π/(252×253)≈0.000099rad。

本发明的优点在于：解决了超声波传播特性研究过程中，只考虑单一方面对超声波传播特性的影响所造成的测量结果不准确的问题，综合考虑了温度、压力、介质对超声波传播特性的影响，测量结果更准确。

Claims (3)

1.多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，其特征在于：包括气路切换装置，调压装置，声速测量装置以及调温装置，所述气路切换装置同调压装置的一端相连，调压装置的另一端连接声速测量装置，所述声速测量装置置于调温装置内；

所述的声速测量装置包括上位机、相位角测量电路、测试管道、超声换能器、法兰、端盖、垫片、安全阀、截止阀、液体输入输出管道以及调压装置的管道，所述测试管道的两端通过法兰同两个端盖相连，第一端盖和第二端盖的中心位置分别放置一个超声换能器，所述超声换能器同端盖螺纹连接，超声换能器的螺纹底端同端盖之间增加一个垫片，所述超声换能器上带有一个引线，超声换能器通过引线同相位角测量电路相连，所述相位角测量电路同上位机相连，第一端盖上放置温度传感器和压力传感器，第二端盖上开有一个调压装置输入孔和一个液体输入输出孔，所述安全阀及截止阀通过液体输入输出管道同液体输入输出孔相连，所述调压装置通过管道同调压装置输入孔相连；

所述的调温装置包括低温恒温槽，所述低温恒温槽的一端开有两个开孔，所述液体输入输出管道穿过第一开孔同测试管道相连，调压装置的管道穿过第二开孔同测试管道相连；

所述的调压装置包括除湿器、一级缓冲罐、二级缓冲罐、压力调节阀、两个三通阀、第一截止阀、第二截止阀、液体加压活塞缸，所述除湿器的一端同一级缓冲罐的一端连接，一级缓冲罐的另一端同二级缓冲罐的一端连接，二级缓冲罐的另一端同压力调节阀的输入端相连，压力调节阀的输出端同第一三通阀的一端相连，第一三通阀的另外两端分别连接第一截止阀的一端和第二截止阀的一端，第一截止阀的另一端连接液体加压活塞缸的一端，液体加压活塞缸的另一端同第二三通阀的一端相连，第二三通阀的另外两端分别同第二截止阀和测试管道相连；

所述的气路切换装置包括气路切换开关和高压气瓶，所述高压气瓶同气路切换开关的一端连接，气路切换开关的另一端同除湿器的另一端连接。

2.如权利要求1所述的多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，其特征在于：所述的测试管道长为620mm，测试管道和端盖的总长为640mm，超声换能器长为7.8mm，垫片厚度为1mm，超声换能器之间的距离为626.4mm。

3.如权利要求1所述的多介质温压可调的超声波传播特性测量装置，其特征在于：所述的液体加压活塞缸内有一个活塞，将所述液体加压活塞缸分成两个中空腔，第一中空腔同第一截止阀相通，第二中空腔同第二三通阀相通。