CN115493662B - 航空航天用一体化超声波流量计及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空航天用一体化超声波流量计及系统，其中，该航天航空用一体化超声波流量计包括管段，所述管段外壁上沿其轴向前后设置有至少两个超声波探头；所述超声波探头包括固定设置在管段外壁上的安装座；所述安装座内设置有声楔，所述声楔包括一个坡面，所述坡面上贴有用于激发或者接收超声波的陶瓷压电片；两个安装座内的陶瓷压电片与管段中轴线的锐角夹角互补，并且所述声楔的长度满足公式

本发明简化了现有管段式超声波流量计的结构，通过对陶瓷压电片安装角度以及声楔长度的设置，使得管段式超声波流量计无需在管内安装反射镜也可保证超声波能被接收，大大提高了鲁棒性。

Description

航空航天用一体化超声波流量计及系统

技术领域

本发明属于非接触流量计量技术领域，尤其涉及一种航空航天用一体化超声波流量计及系统。

背景技术

超声波流量计是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表。其结构具体为安装有双向超声波收发一体化换能器的流体计量管道，在顺流和逆流方向交替发射超声波信号并接收超声波产生回波信号，并以此计算出超声波在流体传播中，一次交替所产生的传播时差，后经相关转化数学模型计算出管道内流体流量。

超声波流量计具有非侵入，无运动部件，可实现非接触测量等优点，只要在管道外部安装超声波换能器即可，实现非固定点安装。此外，超声波流量计为无流动阻扰测量，无额外压力损失，不受测量管径约束。近年，随着太空航天技术的发展，超声波流量计由于上述有点越来越多的应用到航空、航天器中。

中国专利CN201420785721.3公开了一种超声波流量计量管段,包括外管和能够使外管对之紧密限定的内管，所述内管为可拆分组装的上部内管和下部内管，其上开设有与内管本体一体化形成的用于安装超声波换能器的超声波换能器安置孔，通过外管上直径与超声波换能器安置孔的直径相当的让位孔延伸至管段外。在超声波换能器安置孔与内管本体连接部位的外周安置密封圈，所述密封圈与外管的内管壁、内管的外管壁和超声波换能器安置孔的外周壁相切。为了使两个超声波换能器能够互相收发超声波，在管道内部还应当设置有反射镜，用于反射超声波使其能够到达另一个换能器。

作为航空、航天用仪器，由于环境的特殊性，最先保证的应该是仪器的稳定性和鲁棒性。而现有技术中的超声波流量计中器件较多，结构也较为复杂，使得出现问题的几率增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空航天用一体化超声波流量计及系统，简化现有管段式超声波流量计结构，提高稳定性和鲁棒性。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种航空航天 用一体化超声波流量计，包括管段，所述管段外壁上沿其轴向前后设置有至少两个超声波 探头；所述超声波探头包括固定设置在管段外壁上的安装座；所述安装座内设置有声楔，所 述声楔包括一个坡面，所述坡面上贴有用于激发或者接收超声波的陶瓷压电片；两个所述 安装座内的所述陶瓷压电片与所述管段中轴线的锐角夹角互补，并且所述声楔的长度与所 述超声波在所述声楔中的入射角满足公式：

。

其中，

为管段的内径，

为声楔长度，

为所述超声波在所述声楔中的入射角。

为所述超声波在管道流体中传播速度，

为所述超声波在所述声楔中传播速度。

作为一种改进，所述安装座为长方体形，由顶盖、管段外壁以及四个侧壁围成；四个所述侧壁、所述声楔与所述管段为一体成型。减少部件之间的连接点，减小故障发生几率，提高稳定性。

作为一种改进，所述安装座内填充有灌封胶。通过灌封胶避免陶瓷压电片抖动，同时灌封胶能够吸收多余声波，提高超声波的指向性。

作为一种改进，所述管段的两端与待计量介质的输送管焊接。通过焊接的形式与介质输送管道连接，提高密封性和稳定性。

作为一种改进，所述管段的两端设置有用于与待计量介质的输送管连接的法兰，更加方便安装拆卸。

作为一种改进，所述安装座上设置有用于与上位机连接的接插件。

作为一种改进，所述管段为圆柱形，所述两个超声波探头位于管段同一母线上。使得测量结果更加的精准。

作为一种改进，所述超声波探头为两组，一组所述超声波探头包括位于管段同一母线上的前后两个；两组所述超声波探头位于同一平面上。两组所述超声波探头中一组作为主检测，另一组作为备份。4个探头位于同一平面时，位于对角线的两个探头也可进行检测。

本发明还提供一种航空航天用一体化超声波流量计系统，包括两个上述航空航天用一体化超声波流量计；两个所述航空航天用一体化超声波流量计中一个用于检测氧化剂管路中的氧化剂流量，另一个所述航空航天用一体化超声波流量计用于检测燃料管路中的燃料流量；还包括两套控制系统，其一为主控制系统，另一为备份控制系统；所述主控制系统和所述备份控制系统分别与所述航空航天用一体化超声波流量计中的两组超声波探头连接。

本发明的有益之处在于：具有上述结构的航天航空用一体化超声波流量计及系统，首先简化了现有管段式超声波流量计的结构，通过对陶瓷压电片安装角度以及声楔长度的设置，使得管段式超声波流量计无需在管内安装反射镜也可保证超声波能被接收，大大提高了鲁棒性。其次并通过一体化的结构减少了整个装置的连接点，无论在密封性和设备的稳定性上都有提升。再次通过探头冗余设置，当一组探头发生故障可立即启动另一组探头，避免测量工作的中断。通过上述改进，使得本发明适用于在缺少维修条件的航天工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一示例性实施例的航天航空用一体化超声波流量计的结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例的航天航空用一体化超声波流量计的剖视图；

图3为本发明一示例性实施例的航天航空用一体化超声波流量计的爆炸图；

图4为本发明中超声波在管段内的传播原理图；

图5为本发明中声楔接收超声波的原理图；

图6为本发明中一示例性实施例的航天航空用一体化超声波流量计系统的原理图。

图中标记：1管段、2超声波探头、21陶瓷压电片、22声楔、23安装座、24接插件、231侧壁、232顶盖、233灌封胶、234密封圈；h_w为管段的管壁厚度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

现有的超声波流量计分为三种：插入式、夹持式和管段式。

其中插入式的探头需要设置在管道内部。而本发明中需要解决的是航天器中氧化剂和燃料的计量，其中氧化剂对探头的腐蚀较为严重，因此插入式的超声波流量计首先被排除。

夹持式主要采用夹具等结构流量计安装到燃料或氧化剂管道上，也即超声探头与管体分体式设计，因此，要在管体上加装超声探头，就只有采用另外的夹具或加固装置。一方面，设置加固装置会增加整体的重量，然而由于是飞行器，因此希望这个流量计的重量越轻越好，从而使得飞行器能够承载其他的载荷。并且在太空领域，如登月，如果装置加重一公斤，那么成本就增加相当于一公斤黄金的成本。

另一方面，飞行器飞行过程中，会产生振动，例如火箭，时间长了，加固装置就非常有可能松动。如果松动了，那么探头和管壁之间就存在了孔隙，这将影响声波的强度，甚至阻断了声波信号的传播（例如，孔隙中为真空，也即声波没有传输介质，自然也就无法传播）。

再一方面，加固装置松动后，也可能导致探头发生位移，那么声波传输的距离发生改变，这将影响测量的性能，例如，精度大大降低。

因此夹持式超声波流量计也被排除。

而现有的管段式的超声波流量计为了保证两个探头能够互相收发超声波，需要在管道内位于两个探头之间设置若干个反射镜，通过反射镜保证超声波能被顺利接收。然而反射镜同样是一个不稳定因素，只要其中一个角度发生改变就会使得超声波偏移而无法被接收，使得整个流量计失效。

针对上述现有各种超声波流量计在航空、航天应用中的问题，如图1~图5所示，本发明提供一种航空航天用一体化超声波流量计，包括管段1，管段1优选为直管，避免气泡堆积。管段1外壁上沿其轴向前后设置有至少两个超声波探头2；超声波探头2包括固定设置在管段1外壁上的安装座23；安装座23内设置有声楔22，声楔22包括一个坡面，坡面上贴有用于激发或者接收超声波的陶瓷压电片21；为了方便与上位机连接，安装座23上设置有接插件24，例如SMA接插件，本发明中不对接插件的具体选用做限制。通过在陶瓷压电片21上施加电压能够使其激发超声波，也能够将接收到的超声波转换成相应的电信号。当然，为了将电信号转换为介质的流量，还需要一个控制系统。

两个安装座23内的陶瓷压电片21与管段1中轴线的锐角夹角相等。由于设置在声楔22的坡面上，两块陶瓷压电片21与管段1中轴线的夹角均包括一个钝角和一个锐角，而作为锐角的夹角度数是相等的。两块陶瓷压电片21为了达到配合工作的目的，其激发的超声波均需要射向彼此。

参见图4，由于两块陶瓷压电片21之间具有一定的间隔距离，为了保证其中一个陶瓷压电片21激发的超声波即使在管段内经过多次折射后，仍然能够被另一个陶瓷压电片21所顺利接收到，因此，该声楔22的长度范围通过以下公式进行确定：

。

其中，

为管段的内径，

为声楔22的长度，

为超声波在声楔22中的入射角；

为超声波在管道流体中传播速度，

为超声波在声楔22中的传播速度。

在一些实施例中，该超声波在声楔22中的入射角

可由陶瓷压电片21的角度来确 定，而管段1的内径

可根据实际需要确定，超声波在管道流体（介质）中传播速度

以及在 声楔22中传播速度

均容易测得。具体地，本发明的技术方案利用超声波在声楔22中的入 射角

、超声波在管壁中的入射角

和超声波在管段内的入射角

三个角度的关系：

（其中，

为超声波在管壁中传播速度），从而可以仅通过测量超声波在 声楔22中的入射角

就能确定出声楔长度的数值范围，进而保证由一个陶瓷压电片21激发 的超声波无论在管段内经过多少次的折射依然能被与其对应的另一个陶瓷压电片21所顺 利接收到，也即使得在设计生产过程中的其他参数也容易确定，从而确保本发明的顺利实 施。

本发明结合了现有管道式和夹持式超声波流量计的优点，无需设置反射镜，并且 通过陶瓷压电片的安装角度（也即超声波在声楔22中的入射角

）来确定声楔的长度范围， 保证超声波在管段内经过若干次折射后能顺利被接收到。

在航天器中应该尽量减少连接点也减少故障发生的几率，因此本发明中安装座23为长方体形，由顶盖232、管段1外壁以及四个侧壁231围成；四个侧壁231、声楔22与管段1为一体成型。一体成型的具体技术手段可以是通过机械进行加工，也可以是直接整体铸造，只要达到一体成型的目的即可，本发明中不做限制。

相较于夹持式超声波流量计，本发明采用一体式设计，无需单独设置夹具或加固装置，不仅简化了结构，也一定程度地实现了超声波流量计的轻量化设计，从而用于太空领域时，能够一定程度降低程成本；另一方面，通过一体化设计，能够避免因加固装置松动而影响声波信号的传输或强度等问题，保证了超声波信号的可靠性；同时，也一定程度地避免了松动而导致探头发生位移后导致影响测量精度。

为了方便陶瓷压电片21的安装，顶盖232通过螺栓固定。并且为了提高密封性，还加装了密封圈234。陶瓷压电片21利用环氧树脂直接粘接在声楔22的坡面上，而坡面的具体形状与陶瓷应垫片对应，更好的对其进行支撑。另外，安装座23内填充有灌封胶233。通过灌封胶233避免陶瓷压电片21抖动，同时灌封胶233能够吸收多余声波，提高超声波的指向性。在填充灌封胶233后，通过螺栓将顶盖232紧固即可。

本发明中管段1与介质输送管道的连接方式可以焊接也可以是通过两端的法兰进行连接。连接的时候，将上下游的输送管道通过焊接或者法兰连接的形式进行连接即可。两种方式各有优势，焊接可以减少连接点，而法兰连接便于安装拆卸，可根据具体需求进行选择。当然作为航天应用，焊接的形式更优。

另外本发明中，在一些实施例中，该管段1为圆柱形，两个超声波探头2位于管段1同一母线上。即使管段1为其他形状，为了提高计量的精确性，两个超声波探头2可以位于同一条与介质流动方向平行的直线上。另外由于航天应用的工况中，一般来讲是缺乏维修条件的，因此尽可能保证设备稳定性的同时，也可以考虑一些设备冗余。例如，超声波探头2设置两组，一组超声波探头2包括位于管段1同一母线上的前后两个；而两组超声波探头2位于同一平面上。这样，当一组超声波探头2发生故障时，可启动另一组超声波探头2，确保计量工作不中断。实际上在极端情况下，位于对角线上的两个超声波探头2同样可以进行计量工作，进一步对计量工作起到了保障作用。

另外，如图6所示，本发明还提供一种航空航天用一体化超声波流量计系统，包括两个上述航空航天用一体化超声波流量计；每个超声波流量计上设置有两组超声波探头2。一组超声波探头2包括位于管段1同一母线上的前后两个；两组超声波探头2位于同一平面上。

两个航空航天用一体化超声波流量计中一个用于检测氧化剂管路中的氧化剂流量，另一个用于检测燃料管路中的燃料流量；还包括两套控制系统，其一为主控制系统，另一为备份控制系统；其中，该主控制系统和备份控制系统分别与上述航空航天用一体化超声波流量计中的两组超声波探头连接。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：包括管段，所述管段外壁上沿其 轴向前后设置有至少两个超声波探头；所述超声波探头包括固定设置在所述管段外壁上的 安装座；所述安装座内设置有声楔，所述声楔包括一个坡面，所述坡面上贴有用于激发或者 接收超声波的陶瓷压电片；两个所述安装座内的所述陶瓷压电片与所述管段中轴线的锐角 夹角相等，其中，所述安装座为长方体形，由顶盖、管段外壁以及四个侧壁围成；四个所述侧 壁、所述声楔与所述管段为一体成型，并且所述声楔的长度与所述超声波在所述声楔中的 入射角满足公式：

，以使得由一个所述陶瓷压电片激发的超声 波在所述管段内经过多次的折射依然能被与其对应的另一个所述陶瓷压电片所顺利接收；

其中，

为所述管段的内径，

为所述声楔长度，

为所述超声波在所述声楔中的所述入 射角；

为所述超声波在管道流体中传播速度，

为所述超声波在所述声楔中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述安装座内填充有灌封胶。

3.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述管段的两端与待计量介质的输送管焊接。

4.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述管段的两端设置有用于与待计量介质的输送管连接的法兰。

5.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述安装座上设置有用于与上位机连接的接插件。

6.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述管段为圆柱形，所述两个超声波探头位于所述管段同一母线上。

7.根据权利要求1所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述管段为直管。

8.根据权利要求6所述的一种航空航天用一体化超声波流量计，其特征在于：所述超声波探头为两组，一组所述超声波探头包括位于所述管段同一母线上的前后两个；且两组所述超声波探头位于同一平面上。

9.一种航空航天用一体化超声波流量计系统，其特征在于：包括两个权利要求8所述的航空航天用一体化超声波流量计；两个所述航空航天用一体化超声波流量计中一个用于检测氧化剂管路中的氧化剂流量，另一个所述航空航天用一体化超声波流量计用于检测燃料管路中的燃料流量；所述航空航天用一体化超声波流量计系统还包括两套控制系统，其一为主控制系统，另一为备份控制系统；所述主控制系统和所述备份控制系统分别与两个所述航空航天用一体化超声波流量计中的两组超声波探头连接。

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