CN108445255A - 一种基于超声波的气体流速测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波的气体流速测量方法及装置，通过对超声波在气体介质内传递过程中受介质流速的影响形成的时间差来推导流速信息；应用本发明的流速检测装置包含一个具有进气口和出气口的管道，管道内安装有两两相对的一组锥形杆和两个超声波反射壁；锥形杆为圆锥形，基座粘接有压电陶瓷换能器，其中之一为超声波激发器，其二为超声波接收器。使用该方法制备的气体流速计量装置可以用作呼吸健康信息测量设备，可以每天定点测量和记录运动员、哮喘病人或其他有需要者如戒烟者的一秒用力呼气容积指标、用力呼气量指标等值，从而为提高运动成绩、指导用药等方面提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声波的气体流速测量方法及装置，通过对超声波在气体介质内传递过程中受多普勒效应和受介质流速的影响形成的时间差来推导流速信息。
背景技术
根据多普勒效应(Doppler effect)的理论：当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频会发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远离观察者时变低。
常用的声学多普勒流速仪如SonTek公司设计的产品，都是预先实用一个激发器发射一固定频率的脉冲波对空扫描，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，该频率称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对发射端的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。
常用的多普勒流速仪假设液体中存在微小颗粒物，该颗粒物接受脉冲后形成回波频率从而推导出颗粒物位置，并假定颗粒物与液体介质的流速相同，从而根据颗粒物沿声束方向的移动速度来推导液体流量。常见的声学多普勒频移公式为：
FD＝2FsV/C
其中FD为多普勒频移，Fs为发射声波频率，V是介质中颗粒物移动速度，C是声波在介质中的传播速度。
在通过温度补偿等方法保持C和Fs不变的情况下，通过测量Fd即可获得V的数值，并假定颗粒物与液体介质的流速相同，则可以获得流速信息。
这种方法具有很多不足，首先，假定介质内颗粒物的移动速度与介质相同，在液体中尚且具有误差，在气体环境下更无法保证；其次，测量纯净气体和液体时较为困难。
发明内容
针对上述不足，本发明设计了一种方案，我们通过设置一组相对的锥形杆，形成了固定距离的强制多普勒效应，并且通过锥形杆形状造成的机械振动在杆尖端形成集聚效应增强了超声波的信号。
锥形杆为圆锥型杆，材质一般为刚性如金属、玻璃等。锥形杆需易于机械加工，其底座为圆形，顶端的直径尺寸小于0.5mm。
两两相对的锥形杆均通过粘贴与超声波压电陶瓷换能器结合，该换能器其中之一为超声波激发器，产生固定频率的机械振动，该振动通过压电效应在锥形杆的底座产生，并由锥形杆的几何形状影响在杆尖端处形成放大，从而进入气体内传递；们在管道内部设立了上下两个超声波反射壁，超声波信号经过多次反射后，在另一个锥形杆粘贴结合的换能器作为超声波接收器将通过该锥形杆的顶点接收到经过上下超声波反射壁后的振动信号，该超声波接收器在时域上将会接收到两个峰值信号的时间(Tup，和Tdown)，我们记录两个峰值的时间差。
超声波激发换能器激发的超声波频率为1MHz以上的高频信号，从而可以实现直线型的超声波传递。
我们在管道内部设立的上下两个超声波反射壁，其材质为金属或玻璃等刚性材质，对超声波的吸收较少，尽量减少信号衰减。
本发明的有益效果是，不受传统超声多普勒流速仪的限制，可以测量匀质的气体介质的流速，根据实验结果，其测量频率可以高达每秒1000次，保证了监测精度；将本发明应用于呼吸健康监测设备时，对吸入和呼出都能检测气体流量，从而保证更准确的测量。
附图说明
图1是锥形杆的结构图；
图2是流速计管道的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见图1，本发明涉及的锥形杆101为圆锥型针状刚性物体，其材质为金属、陶瓷、玻璃钢、玻璃等易于精密加工的工业材质。锥形杆101的底座102粘贴有超声波换能器102，分别作为超声波激发器和接收器采用。
参见图2，本发明涉及的流速计装置包含一个具有进气口和出气口的管道结构201，其中两个锥形杆202和203的顶点水平相对并具有一定的距离，管道201内具有两个超声波反射壁204和205，当超声波激发器206激发超声波后，超声波在锥形杆202内传递，在顶点处附近振动波通过锥形杆的形状形成集聚效应，振幅增加并进入介质内传递，超声波首次解除上下反射壁204和205时具有一个反射角θ，经过多次反射后，超声波分别通过上下反射壁进入锥形杆203，从而在超声波接收换能器207处形成时域信号的两个峰值；这两个峰值对应的时间记为Tup和Tdown，通过计算我们可以得出：
Tup-Tdown＝N4hVf/(cosθVdVa)
其中，N是反射次数，h是管道内两个反射壁距离，Vf是介质的流速，θ是反射角度，Vd是锥形杆内的声速，Va则是介质内的声波传递速度。
在锥形杆和介质的材料性质和温度已知的情况下，Vd和Va为固定值，可通过工程资料查询获得，或通过检测得知。N和θ的数据可根据锥形杆和反射壁的尺寸得出。从而我们可以得出管道内流速Vf与超声波接收器信号Tup-Tdown的数学关系。
针对呼吸健康应用，用户可以将进气口作为呼气口，则可以将使用该方法制备的气体流速计量装置，用于呼吸流速的测量。根据体积流量(Q)＝平均流速(v)×管道截面积(A)的关系，在一次呼吸之间，测量其管道内流速最大值到流速为零之间的流速并做积分，并根据管道进出口的面积，可以获得用力呼气量FVC指标；测量呼吸时最大流速开始1秒内的流速变化并做积分，可以获得一秒用力呼吸容积FEV1的指标。通过每天定点测量和记录运动员、哮喘病人或其他有需要者如戒烟者的一秒用力呼气容积指标、用力呼气量指标等值，可以为提高运动成绩、指导用药等方面提供数据支撑。
综上，本发明适用于制作一个气体流速计量装置，该装置内具有一个管道，其内部气体流速可通过超声波传递时间差在接收换能器时域信号上的测量，并经过数学公式来推导。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：应用该方法的流量测量装置包含一个具有进气口和出气口的管道；所述管道内安装有两两相对的一组锥形杆和两个超声波反射壁；所述锥形杆为圆锥形，基座粘接有压电陶瓷换能器；所述换能器其中之一为超声波激发换能器，其二为超声波接收换能器。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：所述超声波激发器产生的超声波为超过1MHz的高频超声波信号，通过锥形杆后放大并进入气体介质传播，并在上下两个反射壁多次反射后在粘接有超声波接收换能器的锥形杆顶点被接收，并通过所述换能器转化为电信号。
3.根据权利要求2所述的基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：所述管道内气体流速由超声波传递时间差、锥形杆直径、杆内和气体内声速的数据通过数学公式来推导。
4.根据权利要求3所述的基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：所述气体流量计可以根据气体流速，管道的进出口直径推算气体流量。
5.根据权利要求4所述的基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：实用该方法制备的气体流速计量装置可以用作呼吸健康信息测量设备，可以每天定点测量和记录运动员的一秒用力呼气容积指标，记录并传递给教练员，可以更好的为运动成绩的提升提供指引。
6.根据权利要求4所述的基于超声波的气体流速测量方法及装置，其特征是：实用该方法制备的气体流速计量装置可以用作呼吸健康信息测量设备，可以每天定点测量和记录哮喘病人的用力呼气量指标，记录并传递给医生，可以更好的提供用药指导。
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