CN109506768A - 带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法及系统，其系统包括高温声场检测传感器、温度环境控制系统和信号采集处理器，高温声场检测传感器包括水听器、波导杆、耦合剂套筒和声波耦合剂；温度环境控制系统包括水箱、温控器、冷确水套、升降机、温度探头、水加热器和水制冷器；其方法包括步骤：一、声场检测系统的安装，二、带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测。本发明带有温度保护功能，能够稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场持续检测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法及系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法及系统。

背景技术

振动凝固是对凝固过程中的金属液施加振动，使铸件结晶组织因受振动而细化，铸件残余应力降低并均匀化，力学性能提高；振动在金属凝固领域中的应用研究引起了人们的广泛重视。Sokolov在1935年第一次采用高频装置对纯金属凝固过程施加振动。同一时期，Loomis等人分别研究了在金属和有机物的凝固过程中施加超声振动的规律，Eskin等人对超声场中金属凝固规律进行了探索。

因为超声波具有很高的频率，同时具有很高的能量，会在金属熔体中发生空化和声流等一系列非线性效应，对细化合金组织有良好的作用。但是，在传统的金属和合金凝固过程中，人们只是凭经验对待凝固的金属和合金溶液施加一定的超声振动，进而影响其凝固过程。由于金属熔体的温度很高，超出了声场检测传感器的工作温度范围，所以对于所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系缺乏定量的分析和表征。

在凝固的过程中，整个熔体是从最高温逐渐冷却到最低温的，同时，固相的体积分数不断增加，系统内的声场分布也在动态变化，因此需要对凝固过程中的声场进行实时检测，不仅需要能够适用于高温环境中的声场检测系统，还要声场检测系统能够稳定可靠地工作，现有技术中，还缺乏能够稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场检测的系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其结构简单，设计新颖合理，带有温度保护功能，能够稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场持续检测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，包括高温声场检测传感器、温度环境控制系统和信号采集处理器，所述高温声场检测传感器包括水听器和用于伸入材料高温液相内的波导杆，以及上部套装在水听器上、下部套装在波导杆上的耦合剂套筒，所述耦合剂套筒的中部空间为耦合剂腔，所述耦合剂腔内填充有声波耦合剂，所述水听器的感应元件设置在声波耦合剂中；所述温度环境控制系统包括水箱、温控器、冷确水套和升降机，所述冷确水套设置在耦合剂套筒外壁上，所述冷确水套与水箱的给水通道和回水通道均连接，所述温控器的输入端接有设置在耦合剂腔内且浸入声波耦合剂中的温度探头，所述温控器的输出端接有位移控制器以及均与水箱连接的水加热器和水制冷器，所述升降机与位移控制器连接，所述温控器和水听器均与信号采集处理器连接。

上述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，所述波导杆由耐高温材料制成。

上述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，所述波导杆由石英材料或陶瓷材料制成。

上述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，所述耦合剂套筒上部内壁与水听器外壁之间设置有第一密封圈，所述耦合剂套筒下部内壁与波导杆外壁之间设置有第二密封圈。

上述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，所述声波耦合剂为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够使水听器始终在合适的温度下工作、实现了对高温声场检测传感器的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、声场检测系统的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头固定在波导杆外壁上，且使测温头的底端与波导杆的底端相平齐；

步骤102、将升降机通过夹持臂夹持在耦合剂套筒上；

步骤103、将所述高温声场检测传感器的波导杆浸入位于材料定向凝固容器内的材料高温液相中；

步骤二、带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测：波导杆将材料高温液相内的声信号传输到声波耦合剂中；声信号在声波耦合剂中传播并被水听器感知；将水听器输出的电信号采用数据采集系统进行显示和记录；

步骤二的过程中，温度探头对声波耦合剂中的温度进行实时检测并将检测到的声波耦合剂温度信号输出给温控器，温控器将声波耦合剂温度与预先设定的水听器的工作温度T0和水听器最高工作温度T1相比较，当声波耦合剂温度大于T0时，温控器控制水制冷器对水箱内的水进行制冷，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度小于T0时，温控器控制水加热器对水箱内的水进行加热，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度大于水听器最高工作温度T1时，温控器将温度比较结果输出给位移控制器，位移控制器控制升降机向上运动，带动高温声场检测传感器整体向上移动，避免水听器损坏。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，结构简单，设计新颖合理，一方面，高温声场检测传感器中，通过采用耦合剂套筒连接波导杆和水听器，能够使用耐高温波导杆将待检测材料高温液相内的声信号导入声波耦合剂中，在信号传导的同时，实现了高温环境的隔离；在常温的声波耦合剂中，声信号最终由常规水听器进行采集，获取声波测量数据；另一方面，温度环境控制系统中，通过设置水箱、温控器、冷确水套、升降机、温度探头、水加热器和水制冷器，能够调节声波耦合剂的温度，使水听器始终在合适的温度下工作，且在温度过高时，通过升降机提升高温声场检测传感器，避免水听器发生损坏，实现了对高温声场检测传感器的温度保护，保证了声场检测系统稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场持续检测。

2、本发明的高温声场检测传感器，通过设置第一密封圈和第二密封圈，能够有效防止声波耦合剂泄露，不仅能够保证声场检测传感器的检测精度，还能避免对被测液态介质造成污染。

3、本发明的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法，方法步骤简单，实现方便，能够调节声波耦合剂的温度，使水听器始终在合适的温度下工作，且在温度过高时，通过升降机提升高温声场检测传感器，避免水听器发生损坏，实现了对高温声场检测传感器的温度保护，保证了声场检测系统稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场持续检测。

4、采用本发明记录的声信号数据，能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展，本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，带有温度保护功能，能够稳定可靠地应用于高温环境中进行高温固液两相环境中声场持续检测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统的结构示意图。

图2为本发明带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—材料高温液相； 2—波导杆； 3—耦合剂套筒；

4—声波耦合剂； 5—水听器； 5-1—感应元件；

6—温控器； 7—耦合剂腔； 8—水箱；

9—第一密封圈； 10—第二密封圈； 11—温控器；

12—冷确水套； 13—升降机； 14—温度探头；

15—位移控制器； 16—材料固相； 17—水加热器；

18—水制冷器； 19—信号采集处理器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，包括高温声场检测传感器、温度环境控制系统和信号采集处理器，所述高温声场检测传感器包括水听器5和用于伸入材料高温液相1内的波导杆2，以及上部套装在水听器5上、下部套装在波导杆2上的耦合剂套筒3，所述耦合剂套筒3的中部空间为耦合剂腔7，所述耦合剂腔7内填充有声波耦合剂4，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中；所述温度环境控制系统包括水箱8、温控器11、冷确水套12和升降机13，所述冷确水套12设置在耦合剂套筒3外壁上，所述冷确水套12与水箱8的给水通道和回水通道均连接，所述温控器11的输入端接有设置在耦合剂腔7内且浸入声波耦合剂4中的温度探头14，所述温控器11的输出端接有位移控制器15以及均与水箱8连接的水加热器17和水制冷器18，所述升降机13与位移控制器15连接，所述温控器11和水听器5均与信号采集处理器19连接。

所述材料高温液相1的温度范围为500℃～2000℃。

具体实施时，所述水听器5的电信输出线位于耦合剂套筒3上方。所述耦合剂套筒3为上端开口与水听器5相配合、下端开口与波导杆2相配合、中部空间与上端开口和下端开口相连通的管状物。所述耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，是用于整个高温声场检测传感器固定的部位。

本实施例中，所述波导杆2由耐高温材料制成。

本实施例中，所述波导杆2由石英材料或陶瓷材料制成。

具体实施时，采用的波导杆2必须在被检测的材料高温液相1温度下具有良好的声信号(机械波)传导性能，例如，800℃材料高温液相1，可以采用耐温1200℃以上的石英材料的波导杆2。

具体实施时，所述波导杆2的长度与待检测的材料高温液相1的温度有关，对于同种材质的波导杆2，待检测的材料高温液相1的温度越高，波导杆2越长，待检测的材料高温液相1的温度越低，波导杆2越短。

本实施例中，所述耦合剂套筒3上部内壁与水听器5外壁之间设置有第一密封圈9，所述耦合剂套筒3下部内壁与波导杆2外壁之间设置有第二密封圈10。

具体实施时，所述第一密封圈9和第二密封圈10均采用橡胶密封圈，通过设置第一密封圈9和第二密封圈10，能够有效防止声波耦合剂4泄露。不仅能够保证高温声场检测传感器的检测精度，还能避免对材料高温液相1造成污染。

本实施例中，所述声波耦合剂4为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

具体实施时，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中，即将水听器5的感应元件5-1完全浸入声波耦合剂4中。所述声波耦合剂4能够高效传播声信号。

具体实施时，所述水听器5为压电水听器、磁致伸缩水听器和光纤水听器等类型的常规水听器。

如图2所示，本发明带有温度保护的的高温固液两相环境中声场检测方法，包括以下步骤：

步骤一、声场检测系统的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头13固定在波导杆2外壁上，且使测温头13的底端与波导杆2的底端相平齐；

步骤102、将升降机12通过夹持臂夹持在耦合剂套筒3上；

具体实施时，由于为了避免造成声场检测传感器损伤，水听器5和波导杆2均不能被用于夹持或固定，因此耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，将升降机12通过夹持臂夹持在耦合剂套筒3上能够将整个高温声场检测传感器固定，并将波导杆2浸入材料高温液相1内；

步骤103、将所述高温声场检测传感器的波导杆2浸入位于材料定向凝固容器8内的材料高温液相1中；

步骤二、带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测：波导杆2将材料高温液相1内的声信号传输到声波耦合剂4中；声信号在声波耦合剂4中传播并被水听器5感知；将水听器5输出的电信号采用数据采集系统进行显示和记录；数据采集系统显示和记录的电信号能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展。

步骤二的过程中，温度探头14对声波耦合剂4中的温度进行实时检测并将检测到的声波耦合剂温度信号输出给温控器11，温控器11将声波耦合剂温度与预先设定的水听器5的工作温度T0和水听器5最高工作温度T1相比较，当声波耦合剂温度大于T0时，温控器11控制水制冷器18对水箱8内的水进行制冷，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度小于T0时，温控器11控制水加热器17对水箱8内的水进行加热，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度大于水听器5最高工作温度T1时，温控器11将温度比较结果输出给位移控制器15，位移控制器15控制升降机13向上运动，带动高温声场检测传感器整体向上移动，避免水听器5损坏。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其特征在于：包括高温声场检测传感器、温度环境控制系统和信号采集处理器(19)，所述高温声场检测传感器包括水听器(5)和用于伸入材料高温液相(1)内的波导杆(2)，以及上部套装在水听器(5)上、下部套装在波导杆(2)上的耦合剂套筒(3)，所述耦合剂套筒(3)的中部空间为耦合剂腔(7)，所述耦合剂腔(7)内填充有声波耦合剂(4)，所述水听器(5)的感应元件(5-1)设置在声波耦合剂(4)中；所述温度环境控制系统包括水箱(8)、温控器(11)、冷确水套(12)和升降机(13)，所述冷确水套(12)设置在耦合剂套筒(3)外壁上，所述冷确水套(12)与水箱(8)的给水通道和回水通道均连接，所述温控器(11)的输入端接有设置在耦合剂腔(7)内且浸入声波耦合剂(4)中的温度探头(14)，所述温控器(11)的输出端接有位移控制器(15)以及均与水箱(8)连接的水加热器(17)和水制冷器(18)，所述升降机(13)与位移控制器(15)连接，所述温控器(11)和水听器(5)均与信号采集处理器(19)连接。

2.按照权利要求1所述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其特征在于：所述波导杆(2)由耐高温材料制成。

3.按照权利要求1或2所述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其特征在于：所述波导杆(2)由石英材料或陶瓷材料制成。

4.按照权利要求1所述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其特征在于：所述耦合剂套筒(3)上部内壁与水听器(5)外壁之间设置有第一密封圈(9)，所述耦合剂套筒(3)下部内壁与波导杆(2)外壁之间设置有第二密封圈(10)。

5.按照权利要求1所述的带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测系统，其特征在于：所述声波耦合剂(4)为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

6.一种利用如权利要求1所述声场检测装置进行高温固液两相环境中声场检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、声场检测系统的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头(13)固定在波导杆(2)外壁上，且使测温头(13)的底端与波导杆(2)的底端相平齐；

步骤102、将升降机(12)通过夹持臂夹持在耦合剂套筒(3)上；

步骤103、将所述高温声场检测传感器的波导杆(2)浸入位于材料定向凝固容器(8)内的材料高温液相(1)中；

步骤二、带有温度保护的高温固液两相环境中声场检测：波导杆(2)将材料高温液相(1)内的声信号传输到声波耦合剂(4)中；声信号在声波耦合剂(4)中传播并被水听器(5)感知；将水听器(5)输出的电信号采用数据采集系统进行显示和记录；

步骤二的过程中，温度探头(14)对声波耦合剂(4)中的温度进行实时检测并将检测到的声波耦合剂温度信号输出给温控器(11)，温控器(11)将声波耦合剂温度与预先设定的水听器(5)的工作温度T0和水听器(5)最高工作温度T1相比较，当声波耦合剂温度大于T0时，温控器(11)控制水制冷器(18)对水箱(8)内的水进行制冷，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度小于T0时，温控器(11)控制水加热器(17)对水箱(8)内的水进行加热，直至声波耦合剂温度达到T0；当声波耦合剂温度大于水听器(5)最高工作温度T1时，温控器(11)将温度比较结果输出给位移控制器(15)，位移控制器(15)控制升降机(13)向上运动，带动高温声场检测传感器整体向上移动，避免水听器(5)损坏。