CN107917740A - 气液两相流流量测量的双频超声波换能器 - Google Patents

气液两相流流量测量的双频超声波换能器 Download PDF

Info

Publication number
CN107917740A
CN107917740A CN201711457445.2A CN201711457445A CN107917740A CN 107917740 A CN107917740 A CN 107917740A CN 201711457445 A CN201711457445 A CN 201711457445A CN 107917740 A CN107917740 A CN 107917740A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic ring
piezoelectric ceramic
double
ultrasound wave
wave transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711457445.2A
Other languages
English (en)
Inventor
高国旺
贾惠芹
李锋
王永超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Shiyou University
Original Assignee
Xian Shiyou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Shiyou University filed Critical Xian Shiyou University
Priority to CN201711457445.2A priority Critical patent/CN107917740A/zh
Publication of CN107917740A publication Critical patent/CN107917740A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

一种气液两相流流量测量的双频超声波换能器，外壳底部开有圆孔，外壳内设置有声楔，声楔底部加工有与外壳底部圆孔相匹配的圆台，圆台插入到外壳圆孔内，声楔一侧面为斜面，斜面上设置有压电陶瓷环，压电陶瓷环内设置有压电陶瓷柱，压电陶瓷柱与压电陶瓷环之间设置有绝缘环，压电陶瓷柱和压电陶瓷环的阴极用第一导线相连，压电陶瓷柱的阳极上通过第二导线串联有第一电阻，压电陶瓷环的阳极上通过第三导线串联有第二电阻，第一导线和第二导线及第三导线与位于外壳上的BNC接头相连。本发明具有结构简单、测量准确、操作方便的优点。

Description

气液两相流流量测量的双频超声波换能器
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及到一种气液两相流流量测量的双频超声波换能器。
背景技术
超声波不仅具有方向性好、穿透力大、能量较集中等优点，而且还在介质传播过程中会产生各种物理、化学、生物等效应，所以超声波越来越广泛地应用在医学、军事、工业、农业等领域，其中非接触式超声波流量测量是其典型应用。而当前，许多工业领域出现了气液两相流，如热电、核电的气化单元，天然气、石油的开采、输送；低沸点液体的输送……，对它们的研究引起了国内外的广泛关注，但由于两相流的复杂性、随机性，认识它们首先要解决流量的检测问题。多波超声脉冲法可有效的测量气液两相流中的气体和液体的流速，在气液两相流体流量测量的应用前景广阔。
由于气液两相流的复杂性，对其特性的研究进展缓慢，为了认识气液两相流，目前主要的方法有激光多普勒流速仪、粒子跟踪测量仪、超声波多普勒流量测量等。随着超声波传感器技术和信息获取技术的发展尤，气液流量两相流体的流速测量技术发展迅速。美国Polysonics公司已研制成功Hydra SX30和Hydra SX40双频超声波多普勒流量计并取得专利；仅几年日本在多频多普勒流量测量技术进展迅速，Hideki Murakawa et al.，Muramatsu et al.提出多波双频超声波多普勒流量测量的方法和试验装置；国内学者毕雪芹、倪原、王敏、亓月刚等也开展了双频多普勒流量计的研究工作，给出了其硬件、信号处理方法等。这其中，日本的研究人员在气液两相流中研究处于领先地位，Hideki Murakawa etal.提出了双频超声脉冲多普勒测量气液两相流测量方法，不仅能测量液体的剖面流速，还能监测到气泡的上升速度，在气液两相量测量中具有广阔的前景。从目前的文献，HidekiMurakawa给出了测量方法和试验装置，但没有给出双频超声波换能器的具体结构。
在国内，双频超声波换能器在超声波清洗、超声波萃取中的应用广泛，Lin在1995年对一种具有两组激励元件的夹心式复频超声换能器进行了研究，但给出的方法在决定换能器尺寸方面是比较困难的；毛汉领教授研究团队在复频超声波换能器研究方法成果卓著，专利号为ZL201010199344.1、名称为《复合多频两端螺纹辐射超声换能器》的中国专利和论文《两端辐射双频超声换能器设计方法》中公布了一种复合多频超声波换能器结构，并且其学生符家和的硕士学位论文详细给出了两端辐射双频超声换能器的研究方法，该换能器主要由左右两个辐射块、两组压电陶瓷晶片组、中间质量块、高强度预应力螺柱等构件组成，产生了适合清洗和萃取的两种频率25kHz和40kHz。但是，上述的夹心式复频超声波换能器不适合超声波多普勒流量中，一是结构不合适，二是工作频率不适合，三是设计方法复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、测量准确、操作方便的气液两相流流量测量的双频超声波换能器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：外壳底部开有圆孔，外壳内设置有声楔，声楔底部加工有与外壳底部圆孔相匹配的圆台，圆台插入到外壳圆孔内，声楔一侧面为斜面，斜面上设置有压电陶瓷环，压电陶瓷环内设置有压电陶瓷柱，压电陶瓷柱的谐振频率大于压电陶瓷环的谐振频率，压电陶瓷柱与压电陶瓷环之间设置有绝缘环，压电陶瓷柱和压电陶瓷环的阴极用第一导线相连，压电陶瓷柱的阳极上通过第二导线串联有第一电阻，压电陶瓷环的阳极上通过第三导线串联有第二电阻，第一导线和第二导线及第三导线与位于外壳上的BNC接头相连。
作为一种优选的技术方案，所述的声楔为具有透声性的有机玻璃。
作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷环的中心线与压电陶瓷柱的中心线重合并与声楔斜面垂直。
作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷环最低边距声楔8斜面最低端的距离s
式中l1为声楔斜面最低端与圆台之间的距离，d为圆台的厚度，l为压电陶瓷环的外径，α为声楔斜面倾角。
作为一种优选的技术方案，所述的外壳上设置有紧固带。
作为一种优选的技术方案，所述压电陶瓷环的谐振频率为200K～3MHz。
作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷柱的谐振频率为1M～10MHz。
作为一种优选的技术方案，所述的声楔斜面倾角α为45°。
本发明的有益效果如下：
本发明采用不同谐振频率的压电陶瓷环和压电陶瓷柱作为敏感部件，并将其固定在由有机玻璃制成的声楔上，在管道的同一位置同时产生两种频率的超声波，对管道内的流速进行测量，测量的准确性高，使用时将本发明固定在管道的外壁即可，具有操作方便的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1中，本实施例的气液两相流流量测量的双频超声波换能器由外壳1、压电陶瓷环2、第三导线3、第二电阻4、BNC接头5、第二导线6、第一电阻7、声楔8、紧固带9、压电陶瓷柱10、第一导线11连接构成。
在外壳1外部左右两侧分别安装有紧固带9，外壳1底部开有圆孔，外壳1内安装有声楔8，声楔8为具有透声性的有机玻璃，声楔8底部加工有与外壳1底部圆孔相匹配的圆台，圆台插入到外壳1圆孔内，声楔8一侧面为斜面，斜面倾角α为45°，斜面上固定安装有压电陶瓷环2，压电陶瓷环2的谐振频率为2MHz，压电陶瓷环2的外径l为10mm，压电陶瓷环2最低边距声楔8斜面最低端的距离s
式中l1为声楔8斜面最低端与圆台之间的距离，d为圆台的厚度，压电陶瓷环2内安装有压电陶瓷柱10，压电陶瓷柱10的直径为3mm、谐振频率为8MHz，压电陶瓷柱10与压电陶瓷环2之间安装有绝缘环，压电陶瓷柱10和压电陶瓷环2的阴极用第一导线11相连，压电陶瓷柱10的阳极上通过第二导线6串联有第一电阻7，压电陶瓷环2的阳极上通过第三导线3串联有第二电阻4，第一导线11和第二导线6及第三导线3与位于外壳1上的BNC接头5相连，本发明通过BNC接头5与超声波发生器相连。
在测量管道内气液两相流流速时，通过紧固带9将本发明固定在管道上，本发明通过BNC接头5与超声波发生器相连，超声波发生器同时产生两路的多波脉冲超声波信号通过压电陶瓷柱10和压电陶瓷环2产生两种超声波声束进入管道，压电陶瓷环2测量管道内中心处流体的流速，压电陶瓷柱10测量测量管壁附近的流体流速，由于气泡多在管壁附近移动，故压电陶瓷柱10实际上测量的是气泡的上升速度，压电陶瓷环2测量的是液体的流速，压电陶瓷环2和压电陶瓷柱10接收流体反馈回的超声波信号输入到上位机，上位机对超声波信号按照下式(1)处理得到液体的流速和气泡的上升速度；
式中，c为声速，f0为脉冲信号频率，Ts为脉冲间隔，β为压电陶瓷环2和压电陶瓷柱10中心线与管道中心线之间的夹角。

Claims (8)

1.一种气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：外壳(1)底部开有圆孔，外壳(1)内设置有声楔(8)，声楔(8)底部加工有与外壳(1)底部圆孔相匹配的圆台，圆台插入到外壳(1)圆孔内，声楔(8)一侧面为斜面，斜面上设置有压电陶瓷环(2)，压电陶瓷环(2)内设置有压电陶瓷柱(10)，压电陶瓷柱(10)的谐振频率大于压电陶瓷环(2)的谐振频率，压电陶瓷柱(10)与压电陶瓷环(2)之间设置有绝缘环，压电陶瓷柱(10)和压电陶瓷环(2)的阴极用第一导线(11)相连，压电陶瓷柱(10)的阳极上通过第二导线(6)串联有第一电阻(7)，压电陶瓷环(2)的阳极上通过第三导线(3)串联有第二电阻(4)，第一导线(11)和第二导线(6)及第三导线(3)与位于外壳(1)上的BNC接头(5)相连。
2.根据权利要求1所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的声楔(8)为具有透声性的有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的压电陶瓷环(2)的中心线与压电陶瓷柱(10)的中心线重合并与声楔(8)斜面垂直。
4.根据权利要求1所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的压电陶瓷环(2)最低边距声楔(8)斜面最低端的距离s
<mrow> <msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>s</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mi>l</mi> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mi>l</mi> </mrow>
式中l1为声楔8斜面最低端与圆台之间的距离，d为圆台的厚度，l为压电陶瓷环(2)的外径，α为声楔(8)斜面倾角。
5.根据权利要求1所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的外壳(1)上设置有紧固带(9)。
6.根据权利要求1或3或4所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述压电陶瓷环(2)的谐振频率为200K～3MHz。
7.根据权利要求1或3所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的压电陶瓷柱(10)的谐振频率为1M～10MHz。
8.根据权利要求1或4所述的气液两相流流量测量的双频超声波换能器，其特征在于：所述的声楔(8)斜面倾角α为45°。
CN201711457445.2A 2017-12-28 2017-12-28 气液两相流流量测量的双频超声波换能器 Pending CN107917740A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711457445.2A CN107917740A (zh) 2017-12-28 2017-12-28 气液两相流流量测量的双频超声波换能器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711457445.2A CN107917740A (zh) 2017-12-28 2017-12-28 气液两相流流量测量的双频超声波换能器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107917740A true CN107917740A (zh) 2018-04-17

Family

ID=61894359

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711457445.2A Pending CN107917740A (zh) 2017-12-28 2017-12-28 气液两相流流量测量的双频超声波换能器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107917740A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108917866A (zh) * 2018-08-20 2018-11-30 大唐环境产业集团股份有限公司 一种用于复合管道流量检测的超声波传感器及其安装方法
CN109084852A (zh) * 2018-08-31 2018-12-25 大唐环境产业集团股份有限公司 一体式超声波传感器及其安装方法
CN110355912A (zh) * 2019-08-20 2019-10-22 南通松达智能科技有限公司 可测量偏心流量和旋涡角分析计算的整流流道结构
CN111141344A (zh) * 2020-02-24 2020-05-12 宁波水表股份有限公司 一种超声水表换能器及其超声水表

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1463772A (zh) * 2002-06-21 2003-12-31 电子科技大学 可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统
US20060152112A1 (en) * 2003-09-04 2006-07-13 Yasuhiro Sasaki Piezoelectric ceramic element and portable device
CN101777506A (zh) * 2009-12-29 2010-07-14 天津大学 复频夹心结构超声换能器
CN101869886A (zh) * 2010-06-12 2010-10-27 广西广播电视大学 复合多频两端螺纹辐射超声换能器
CN103212532A (zh) * 2013-04-24 2013-07-24 陕西师范大学 T型大功率超声波换能器
CN203443934U (zh) * 2013-09-18 2014-02-19 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 双晶组合式超声波换能器
CN104001277A (zh) * 2014-06-13 2014-08-27 大连交通大学 一种复频超声波肿瘤治疗头

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1463772A (zh) * 2002-06-21 2003-12-31 电子科技大学 可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统
US20060152112A1 (en) * 2003-09-04 2006-07-13 Yasuhiro Sasaki Piezoelectric ceramic element and portable device
CN101777506A (zh) * 2009-12-29 2010-07-14 天津大学 复频夹心结构超声换能器
CN101869886A (zh) * 2010-06-12 2010-10-27 广西广播电视大学 复合多频两端螺纹辐射超声换能器
CN103212532A (zh) * 2013-04-24 2013-07-24 陕西师范大学 T型大功率超声波换能器
CN203443934U (zh) * 2013-09-18 2014-02-19 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 双晶组合式超声波换能器
CN104001277A (zh) * 2014-06-13 2014-08-27 大连交通大学 一种复频超声波肿瘤治疗头

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
范思航等: "超声波多普勒流量计换能器的研究与应用", 《国外电子测量技术》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108917866A (zh) * 2018-08-20 2018-11-30 大唐环境产业集团股份有限公司 一种用于复合管道流量检测的超声波传感器及其安装方法
CN109084852A (zh) * 2018-08-31 2018-12-25 大唐环境产业集团股份有限公司 一体式超声波传感器及其安装方法
CN110355912A (zh) * 2019-08-20 2019-10-22 南通松达智能科技有限公司 可测量偏心流量和旋涡角分析计算的整流流道结构
CN111141344A (zh) * 2020-02-24 2020-05-12 宁波水表股份有限公司 一种超声水表换能器及其超声水表

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107917740A (zh) 气液两相流流量测量的双频超声波换能器
EP3273206B1 (en) Improved signal travel time flow meter
Hayashi et al. Analysis of flexural mode focusing by a semianalytical finite element method
CN102047081B (zh) 具有双重流量测量的声学流量计的系统和方法
NO794111L (no) Ultralyd stroemningsmaaler.
US11022502B2 (en) Ultrasonic waveguide technique for distribute sensing and measurements of physical and chemical properties of surrounding media
CN107102166B (zh) 超声多普勒多相流流速分布检测设备
JPWO2003042638A1 (ja) 管もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法
Meribout et al. An ultrasonic-based multiphase flow composition meter
CN114088151B (zh) 外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法
Griffin et al. Under-Sodium viewing: a review of ultrasonic imaging technology for liquid metal fast reactors
CN100380101C (zh) 多普勒型超声波流量计
CN102654513B (zh) 高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法
CN105547991A (zh) 一种钢管内壁腐蚀检测探头及钢管内壁腐蚀检测方法
Haugwitz et al. Multipath flow metering of high-velocity gas using ultrasonic phased-arrays
GB2238615A (en) Swirl flowmeter for multiphase fluid streams
Han et al. Studies on the transducers of clamp-on transit-time ultrasonic flow meter
US3204457A (en) Ultrasonic flowmeter
CN109541607B (zh) 多相流段塞流及混状流液膜厚度分布式超声测量装置
Fukumoto et al. A study of phased array ultrasonic velocity profile monitor for flow rate measurement
RU2422777C1 (ru) Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройство для его осуществления
Steiner et al. A non-invasive and non-intrusive ultrasonic transducer array for process tomography
CN206854039U (zh) 一种双声程双压电片超声波换能器
CN104990988A (zh) 抗干扰的超声波探头
Li et al. Excitation condition analysis of guided wave on PFA tubes for ultrasonic flow meter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180417

RJ01 Rejection of invention patent application after publication