CN203587152U - 一种超声波换能器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超声波换能器装置，包括两个曲柄臂、曲柄弹簧、两个超声波换能器，两个曲柄臂的中部设有转轴，两个曲柄臂以转轴分为左右两部分，曲柄弹簧设在两个曲柄臂的右半部分之间；两个曲柄臂的左端均连接一个超声波换能器，两个超声波换能器按上、下位置设置，分别为上超声波换能器和下超声波换能器，上、下超声波换能器对称设置；本实用新型可依据内冷水水管管径的大小任意调节，能够更好的接触水管，能更牢靠地固定使之不随测试管道的振动及外界条件的改变而活动，不容易发生打滑造成超声波信号强度衰减甚至丢失的情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及到对液体流量进行测量的试验装置，特别是涉及到对发电机定子绕组内冷水流量进行测量的试验装置。
背景技术
目前国内厂家所制造的超声换能器底部接触面均为平面，这对于测量接触面较大、较为平滑、曲率较小的管道信号强度较好，能较快速准确的测量数据。但在测量发电机内冷水流量现场试验中，发电机定子绕组内冷水水管管径较细，水管外表面较光滑，内冷水系统内部结构紧凑且复杂，需要工作人员双手持超声换能器对夹在被测量水管两侧。由于人为因素或环境因素造成超声换能器在管壁上打滑，或者在换能器接触面涂抹的耦合剂不均匀，容易造成测量信号强度衰减严重，信号中途丢失，测量数据过程十分缓慢甚至数据丢失。另外，发电机出线端子箱内空间狭窄，箱内水管多呈弧形，水管的平直部分较短，不方便设置换能器信号采集位置，这在现场实际测量中均不可避免。由于测量的关键在于超声波换能器能够准确而又稳定的传递传声波信号，但是就目前来看，国内外有关超声波换能器装置中海没有一种装置能够通过自行良好的固定与接触实现信号的稳定传递，这给试验人员的使用造成了较为严重的干扰。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于测量发电机定子绕组内冷水流量的超声波换能器装置，它可依据水管管径的大小任意调节，能更牢靠地固定使之不随测试管道的振动及外界条件的改变而活动，能更加有效地收集超声波反射信号，能够更快地达到信号和传输比最好的匹配。
本实用新型的技术方案是：
一种超声波换能器装置，包括两个曲柄臂、曲柄弹簧、两个超声波换能器，两个曲柄臂的中部设有转轴，两个曲柄臂以转轴分为左右两部分，曲柄弹簧设在两个曲柄臂的右半部分之间；两个曲柄臂的左端均连接一个超声波换能器，两个超声波换能器按上、下位置设置，分别为上超声波换能器和下超声波换能器，上、下超声波换能器对称设置；超声波换能器包括壳体和位于壳体内的若干个换能器单元，换能器单元包括压电晶片、透声斜楔、压缩弹簧，透声斜楔的底面为弧形面，换能器单元的弧形面朝向内侧且沿圆周方向分布，上、下超声波换能器上的透声斜楔的弧形面关于中心对称；压电晶片与透声斜楔之间设有阻抗匹配层；透声斜楔的上侧横截面形状为三角形，压电晶片位于透声斜楔后侧，压缩弹簧位于透声斜楔的前侧且顶靠在透声斜楔的前侧，压缩弹簧的上端顶靠在壳体内侧，压缩弹簧与超声波纵波方向相垂直，所述压电晶片和壳体之间还填充有背衬材料，压电晶片后侧通过电缆连接有高压脉冲发生器回路。
透声斜楔数量为三个，三个透声斜楔等距对称排列，在压靠在三个透声斜楔上的压缩弹簧压缩最大时，三个透声斜楔之间设有间距。
包括曲柄套，超声波换能器和曲柄臂通过曲柄套连接。
曲柄套的延伸方向与上超声波换能器、下超声波换能器的对称中心线垂直。
所述压电晶片为薄圆片型，采用锆钛酸铅材料。
所述透声斜楔的底面弧形面的曲率半径为15mm。
所述阻抗匹配层的匹配元件为电感。
所述阻抗匹配层的厚度值为1／4超声波波长。
所述背衬材料为硅胶或环氧树脂。
所述壳体为铝质材料。
本实用新型为用于测量发电机定子绕组内冷水流量的新型超声波换能器，其有益效果是：
(1)本实用新型可依据内冷水水管管径的大小任意调节，能够更好的接触水管，能更牢靠地固定使之不随测试管道的振动及外界条件的改变而活动，不容易发生打滑造成超声波信号强度衰减甚至丢失的情况。
（2）3只并列排放布置的压电晶片与透声斜楔组合结构方式能更加有效的收集超声波反射信号，超声换能器能够更快的达到信号和传输比最好的匹配。
（3）在使用黏合剂时，可使超声换能器接触面与水管外表面之间更加均匀，更好地排除空气的影响，提高超声波的穿透能力。它将有助于试验人员能够更快更准确的测出发电机定子绕组内冷水流量的数值。
（4）超声换能器后侧固定曲柄可以使换能器固定在内冷水管上，大量节省了试验人员的工作量。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是上超声波换能器的结构示意图；
图3是换能器单元的结构示意图；
图4是本实用新型用于管径较小（约为15mm）的第一水管时的结构示意图；
图5是本实用新型用于管径较大（约为30mm）的第二水管时的结构示意图；
图6是时差法测量流体流量的原理图；
图7是超声换能器探头底部为平面的结构示意图；
图8是用本实用新型测试时的原理图；
图9是超声换能器探头底部为弧形面的结构示意图；
图10是超声波发射电路结构图，图中P表示压电晶片。
图中标号：1压电晶片，2透声斜楔，3压缩弹簧，4背衬材料，5电缆，6铝制壳体，7曲柄套，8曲柄臂，9曲柄弹簧，10阻抗匹配层，11管径较小（约为15mm）的第一水管，12管径较大（约为30mm）的第二水管，13上超声波换能器，14下超声波换能器，15转轴，16换能器单元。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本实用新型包括两个曲柄臂8、曲柄弹簧9、上超声波换能器13、下超声波换能器14，两个曲柄臂8的中部设有转轴15，两个曲柄臂8绕转轴15相对开合，用于复位的曲柄弹簧9位于两个曲柄臂8的右半部分之间。两个曲柄臂8的左端分别连接两个曲柄套7，两个曲柄套7分别连接上超声波换能器13、下超声波换能器14，上超声波换能器13、下超声波换能器14结构相同且关于中心线对称设置。上超声波换能器13包括三个换能器单元16，换能器单元16包括压电晶片1、透声斜楔2、压缩弹簧3。
压电晶片1采用锆钛酸铅材料，压电晶片1为薄圆片型，沿厚度方向振动，产生的超声波为纵波。
压电晶片1以合适的角度放入透声斜楔2后侧，压电晶片1与透声斜楔2之间有阻抗匹配层15，阻抗匹配层15的匹配元件为电感，可以改善发射、接收电路与压电换能器晶片之间的机电耦合性能，阻抗匹配层15的厚度为1／4超声波波长，可以实现换能器压电晶片1和透声斜楔2之间的声阻抗过渡。
透声斜楔2采用有机玻璃或橡胶材料，透声斜楔2的上侧横截面形状为三角形，底部呈弧形，弧形的曲率半径选择较大内冷水水管半径值约为15mm，透声斜楔2前端有一个压缩弹簧3，压缩弹簧3与超声波纵波方向相垂直，可使超声波换能器10随水管管径的大小改变而进行伸缩调节，由于弹簧3对透声斜楔2的作用力与超声波的方向相垂直，因此互不干扰，对测量数据没有影响。
压电晶片1填充的背衬材料4选用硅胶或环氧树脂，为高阻抗、高衰减的吸声材料，背衬材料4中可掺加颗粒度较大的钨粉，使背衬具有较高声阻抗，增加背衬阻尼，可以吸收压电换能器晶片背面辐射的超声波并将其转换为热能，减小背面辐射产生的干扰。压电晶片1后侧通过电缆5连接高压脉冲发生器回路。整个超声波换能器使用铝制壳体6包裹。电缆5可采用三芯同轴线，在背衬材料4模块后侧引出，汇集在曲柄套7内部。曲柄套7采用铝制，通过螺丝固定在铝制壳体6后侧，连接曲柄臂8。
曲柄臂8为内有空腔的硬塑料，方便电缆5通过曲柄臂8连入流量计测量仪中，曲柄臂8后固定一个曲柄弹簧9，使整个超声换能器固定在水管上稳定的采集信号。
三个透声斜楔2呈等距对称排列，且在压缩弹簧3压缩最大时，三个透声斜楔2可达到有效结合但又彼此之间互无接触。
曲柄套7应该通过螺丝固定在铝制壳体6后侧，测量时应不受水管缝隙的空间影响，与被测量水管是水平垂直。
曲柄弹簧9伸缩方向应始终保持与压电晶片1相垂直，即与压电晶片1所产生超声波方向平行，超声波换能器10随管径的变化只能沿超声波轨迹方向平移，做到压电晶片1始终能正确的发射和接收到超声波信号。
如图6所示，时差法测量流体流量的原理是利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点来计算流体流动的速度和流量。
设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把上超声波换能器13、下超声波换能器14安装在水管管子的两侧，两换能器轴向距离为d，其连线与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。
从A1到A2顺流发射时，声波的传播时间t1为：
①t1=L/(c+vcosθ)；
从A2到A1逆流发射时，声波的传播时间t2为：
②t2=L/(c-vcosθ)；
一般c>>v，则时差为：
③Δt=t1-t2=2Lvcosθ/c2；
根据式(3)可求出速度v：
④V=L2(t1-t2)/2dt1t2；
如图7所示，把超声换能器探头底部接触面设计成平面。
如图8、9所示，如果把超声换能器探头底部接触面设计成弧形，换能器工作时发射超声波和接受超声波时情况。设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把上超声波换能器13、下超声波换能器14安装在管子的两侧，两换能器轴向距离为d',其连线与管渠轴线安装成θ'角，换能器的距离为L'。
从上超声波换能器13到下超声波换能器14顺流发射时，声波的传播时间t'1为：
⑤t'1=L'/(c+vcosθ') ；
从A2到A1逆流发射时，声波的传播时间t'2为：
⑥t'2=L'/(c-vcosθ') ；
一般c>>v，则时差为：
⑦Δt'=t'1-t'2=2L'vcosθ'/c2；
根据式(3)可求出速度v'：
⑧v'=L'2(t'1-t'2)/2d't'1t'2；
对比两种超声波换能器的工作情况，在超声换能器在内冷水管外布置位置完全相同时，L=L'，以内冷水管圆心为中心旋转超声波L'，在超声波换能器接触面范围内无论如何旋转，流体流速v与L'的夹角始终为θ，即θ'=θ，则由式⑤～式⑧可知，对于新型超声波换能器，测量流体流速时不受到影响，与接触面为平面时的情况一致，即Δt'=Δt及v=v'。
如图10所示，超声波发射电路结构图，在超声波发射电路中3个压电晶片1并联连接后与高压脉冲发生器相连接。算法采用取三组信号的算术平均值，即v''=（v1+v2+v3+…vn）/n。
实施例：
如图4、5所示，首先把耦合剂均匀地涂抹在三个透声斜楔2的弧形底面上，通过曲柄臂8把超声波换能器10的固定在内冷水管-第一水管11或第二水管12位置上。根据第一水管11或第二水管12的管径大小，超声波换能器10内的三个透声斜楔2位置可进行相应的调整，但始终保持着与第一水管11或第二水管12管壁曲面最大程度的接触。最后接通电源，开启流量计装置进行试验。
上述具体实施方式用来说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和变更，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波换能器装置，其特征在于：包括两个曲柄臂、曲柄弹簧、两个超声波换能器，两个曲柄臂的中部设有转轴，两个曲柄臂以转轴分为左右两部分，曲柄弹簧设在两个曲柄臂的右半部分之间；两个曲柄臂的左端均连接一个超声波换能器，两个超声波换能器按上、下位置设置，分别为上超声波换能器和下超声波换能器，上、下超声波换能器对称设置；超声波换能器包括壳体和位于壳体内的若干个换能器单元，换能器单元包括压电晶片、透声斜楔、压缩弹簧，透声斜楔的底面为弧形面，换能器单元的弧形面朝向内侧且沿圆周方向分布，上、下超声波换能器上的透声斜楔的弧形面关于中心对称；压电晶片与透声斜楔之间设有阻抗匹配层；透声斜楔的上侧横截面形状为三角形，压电晶片位于透声斜楔后侧，压缩弹簧位于透声斜楔的前侧且顶靠在透声斜楔的前侧，压缩弹簧的上端顶靠在壳体内侧，压缩弹簧与超声波纵波方向相垂直，所述压电晶片和壳体之间还填充有背衬材料，压电晶片后侧通过电缆连接有高压脉冲发生器回路。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器装置，其特征在于：透声斜楔数量为三个，三个透声斜楔等距对称排列，在压靠在三个透声斜楔上的压缩弹簧压缩最大时，三个透声斜楔之间设有间距。
3.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：包括曲柄套，超声波换能器和曲柄臂通过曲柄套连接。
4.根据权利要求3所述的超声波换能器装置，其特征在于：曲柄套的延伸方向与上超声波换能器、下超声波换能器的对称中心线垂直。
5.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述压电晶片为薄圆片型，采用锆钛酸铅材料。
6.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述透声斜楔的底面弧形面的曲率半径为15mm。
7.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述阻抗匹配层的匹配元件为电感。
8.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述阻抗匹配层的厚度值为1／4超声波波长。
9.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述背衬材料为硅胶或环氧树脂。
10.根据权利要求1或2所述的超声波换能器装置，其特征在于：所述壳体为铝质材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20140507 Effective date of abandoning: 20160622 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |