CN203837807U - 一种小管径气体声速测量的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小管径气体声速测量的测试装置。超声波接收换能器通过接收换能器底座连接在测试测试装置壳体上；发送换能器角度调整架通过调整架底座连接在测试测试装置壳体的底部，超声波发送换能器安装在发送换能器角度调整架上；调整螺纹杆穿过测试测试装置壳体与发送换能器角度调整架固接；测试测试装置壳体内设有用于检测的角度和位移的角度刻度盘、调整架位置刻度尺和接收换能器位置刻度尺；测试时超声波发送换能器始终朝向超声波接收换能器；测试测试装置壳体内装有四个温度传感器，并设有两个气体进出口。本实用新型具有装置结构简单、实际应用强、操作简单、成本低、精度高等特点，减小了在小路径气体声速测量装置中测量的误差。

Description

一种小管径气体声速测量的测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种声速测量的测试装置，尤其是涉及一种小管径气体声速测量的测试装置。

背景技术

在目前的气体声速测量技术中，普遍采用的测量气体声速方法是传播时间法。该技术方法是在已知两个超声波换能器间距时，通过测量发送和接收到的超声波信号计算得到气体介质中的平均声速。在较长路径上测量时，时间差法可以做到很高的测量精度。当测量的管径不断变小时，就需要高精度的时钟信号来精确计算声音传播时间，从而才能保证测量的精度。并且传播时间法在响应时间上存在“死区”，这样就限制了该方法的测量精度。相位偏移法气体声速测量，是一种测量气体声速非常灵敏的方法。该方法是通过测量不断发送和接收到的超声波波形的相位差，计算得到气体声速。相位偏移法超声波气体声速测量的优势是可以应用到小管径的测量中去，管径尺寸大约为一个超声波波长。

在气体介质为空气且在标况条件时，超声波换能器的谐振频率分别为40kHz、100kHz、200kHz，声音的一个波长分别为8.5mm、3.4mm、1.7mm。当在如此短的路径上使用相位偏移法测试气体声速时，超声波换能器间反射波的存在会带来很大的测量误差。当气体声速测量装置内的温度发生改变时，超声波换能器的谐振频率就会发生改变，就会产生难以预测的误差项。

发明内容

为了减小在小路径气体声速测量装置中测量的不确定度误差，本实用新型提供一种小管径气体声速测量的测试装置，本实用新型具有装置结构简单、实际应用强、操作简单、成本低、精度高等特点。

本实用新型所采用的技术方案是：

本实用新型包括调整架机构、角度距离测量机构；调整架机构：包括接收换能器底座、发送换能器角度调整架、调整架底座和调整螺纹杆，角度距离测量机构：包括角度刻度盘、接收换能器位置刻度尺和发送换能器调整架位置刻度尺；

超声波接收换能器通过接收换能器底座连接在测试装置壳体的底部中心并上下移动，超声波接收换能器朝向正上方；呈半圆环的发送换能器角度调整架的两端分别通过两侧的调整架底座连接在测试装置壳体的底部，调整架底座上设有凹槽导轨，发送换能器角度调整架的下端安装在凹槽导轨中并沿凹槽导轨水平移动，超声波发送换能器安装在发送换能器角度调整架的半圆环内弧面上并沿内弧面移动；调整螺纹杆穿过测试装置壳体后与发送换能器角度调整架固定连接，通过旋转调整螺纹杆推动发送换能器角度调整架沿凹槽导轨水平移动；

用于测量超声波发送换能器和超声波接收换能器之间旋转角度的角度刻度盘安装在发送换能器角度调整架半圆环外弧面上，用于测量发送换能器调整架水平位移距离的调整架位置刻度尺固定在一侧的调整架底座上，用于测量超声波接收换能器竖直位移距离的接收换能器位置刻度尺固定于超声波接收换能器附近的测试装置壳体底面上；测试小管径气体声速时通过调整使得超声波发送换能器始终朝向超声波接收换能器；测试装置壳体内顶面上均布装有两个温度传感器，两内侧面各装有一个温度传感器，测试装置壳体一内侧面的上部设有用于气体排入或排出的气体进出口，另一侧面的下部设有用于气体排出或排入的气体进出口。

所述的温度传感器为PT100温度传感器。

所述的测量装置中的气体介质是空气、氢气、氧气、氮气、甲烷、丙烷或者上述任意两种气体的混合。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型给出的采用相位偏移法气体声速测量的测试装置，该测试装置可应用到一个超声波波长管径以内气体声速测量的测试中，在该测试装置中，通过超声波换能器间相对位置的调整，可以测试得到换能器间反射波对气体声速测量影响最小的换能器相对位置。本实用新型测试装置结构简单、实际应用性强、操作简单、精度高。

附图说明

图1是本实用新型气体声速测量测试装置结构图。

图2是本实用新型相位偏移法超声波气体声速测量原理图。

图3是本实用新型气体声速测量过程框图。

图1中：1、气体进出口，2、角度刻度盘，3、发送换能器角度调整架，4、超声波发送换能器，5、调整螺纹杆，6、调整架底座，7、超声波接收换能器，8、接收换能器底座，9、接收换能器位置刻度尺，10、发送换能器调整架位置刻度尺，11、温度传感器，12、测试装置壳体。

图2中：A、超声波发送换能器的驱动频率波形，B、超声波接收换能器的接收频率波形，C、异或门输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型装置包括调整架机构、角度距离测量机构；调整架机构：包括接收换能器底座8、发送换能器角度调整架3、调整架底座6和调整螺纹杆5，角度距离测量机构：包括角度刻度盘2、接收换能器位置刻度尺9和发送换能器调整架位置刻度尺10；

超声波接收换能器7通过接收换能器底座8连接在测试装置壳体12的底部中心并上下移动，超声波接收换能器7朝向正上方，超声波接收换能器7固定在接收换能器底座8上，接收换能器底座8螺纹连接在测试装置壳体12的底部中心；呈半圆环的发送换能器角度调整架3的两端分别与两侧的调整架底座6连接，调整架底座6安装在测试装置壳体12的底部，调整架底座6上设有凹槽导轨，发送换能器角度调整架3的下端安装在凹槽导轨中并沿凹槽导轨水平移动，超声波发送换能器4安装在发送换能器角度调整架3的半圆环内弧面上并沿内弧面移动；调整螺纹杆5穿过测试装置壳体12后与发送换能器角度调整架3固定连接，调整螺纹杆5和测试装置壳体12之间螺纹连接，通过旋转调整螺纹杆5推动发送换能器角度调整架3沿凹槽导轨水平移动；

用于测量超声波发送换能器4和超声波接收换能器7之间旋转角度的角度刻度盘2安装在发送换能器角度调整架3半圆环外弧面上，用于测量发送换能器调整架3水平位移距离的调整架位置刻度尺10固定在一侧的调整架底座6上，用于测量超声波接收换能器7竖直位移距离的接收换能器位置刻度尺9固定于超声波接收换能器7附近的测试装置壳体12内底面上；测试小管径气体声速时通过调整使得超声波发送换能器4始终朝向超声波接收换能器7，超声波发送换能器4与超声波接收换能器7中心线的交点位于超声波接收换能器7的顶面中心；测试装置壳体12内顶面上均布装有两个温度传感器11，两内侧面各装有一个温度传感器11，测试装置壳体12一内侧面的上部设有用于气体排入或排出的气体进出口1，另一侧面的下部设有用于气体排出或排入的气体进出口1。

温度传感器为PT100温度传感器。

四个温度传感器采用均布方式排布在测试装置壳体12内，使得能准确测量测试装置壳体12内温度，内侧面的温度传感器安装在各自内侧面的中部，内顶面上的两个温度传感器间隔均布在内顶面上。

测量装置中的气体介质是空气、氢气、氧气、氮气、甲烷、丙烷或者上述任意两种气体的混合。

气体进出口1位置是按照一上一下的分布，进气口和出气口都是使用螺纹连接方式与外界管道相连接。在实际应用的时候，两个气体进出口1根据不同气体的测试情况调整，若其中一个设为进口，则另一个设为出口。

调整螺纹杆5穿过发送换能器角度调整架3并通过螺母将发送换能器角度调整架3固定在调整螺纹杆5上。

所述的测试装置壳体12外透过透明板进行观察，观察通过角度刻度盘2、调整架位置刻度尺和接收换能器位置刻度尺9读取得到相应的超声波发送换能器4的旋转角度值、水平位移值和超声波接收换能器7的竖直位移值。

调整螺纹杆5，穿过测试装置壳体12，调整螺纹杆5和测试装置壳体12之间采用螺纹连接的方式。

本实用新型中，超声波发送换能器4和超声波接收换能器7间的相对角度和相对距离都是可以调整的。通过旋转安装在角度调整架3上的超声波发送换能器，使得两个换能器中心线的夹角发生改变，这样就可以改变两个换能器间的正对面积，从而减小换能器间的反射波带来的误差项。换能器间角度发生改变后，为保证装置能正常采用相位偏移法测量气体声速值，需要调整发送换能器调整架3和接收换能器底座8，由此可以分析出换能器间避免反射波影响的最佳角度及相对距离，从而测试得到气体声速测量的测试装置中换能器间相对位置的最佳设计。

本实用新型的两个换能器间的距离在一个超声波的波长以内。如若不满足该要求就会产生严重的测量误差，无法实现正确的测量。

如图2所示为相位偏移法超声波气体声速测量原理图，在实现气体声速测量上采用的是异或门方法。通过测量超声波换能器发送脉冲和超声波换能器接收脉冲的相位差，来精确计算得到小管径中气体声速值。

如图3所示为本实用新型气体声速测量过程框图，待测气体首先进入气体混合装置，控制相应的加热或者制冷装置，调节混合装置内部气体的温度达到设定温度值。然后气体进入测试气体声速测量装置中，超声波驱动信号发射器将驱动信号传给超声波发送换能器4，超声波接收换能器7接收穿过气体的脉冲信号测量得到气体声速值。并且测量得到当前的实际温度值。最后气体排出测试气体声速测量装置。

本实用新型装置可进行并实施的测试方法包括：

1)在超声波换能器的工作温度范围内，每间隔0.5℃建立一个测试点；

2)通过温度传感器11的温度反馈，控制和维持测试装置内各个测试点下温度恒定，在各个测试点的温度下进行测试，得到与超声波发送换能器4和超声波接收换能器7的谐振频率最接近的驱动频率；

3)将上述得到的各个测试点下的温度和最接近的驱动频率建立拟合折线；

4)在小管径气体声速测量时，提取拟合折线中与当前小管径气体声速测试温度最接近的两个温度值，并根据两个温度值之间最接近的驱动频率的线性关系，确定当前小管径气体声速测试温度下的驱动频率，从而使用该驱动频率驱动超声波发送换能器4和超声波接收换能器7，这样能减小由于换能器温度变化引起超声波换能器谐振频率改变对小管径气体声速测量精度的影响；

5)超声波发送换能器4发射的超声波经过介质气体后，产生的时间延迟影响超声波接收换能器7接收的超声波相位值，根据发送和接受超声波的相位差值ψ，即根据具有相位差的发送和接受超声波信号，测量得到与相位差成线性关系的电压值，线性关系为ψ＝kU，其中U为测量得到电压值，k为比例系数。再根据超声波发送换能器4和超声波接收换能器7中心点之间的距离d以及当前小管径气体声速测试温度下的驱动频率f，通过以下公式计算得到该种气体介质的声速v：

t＝ψ/(2πf)

v＝d/t

其中，f为驱动频率，ψ为发送和接收超声波的相位差值，t为超声波传播时间，d为超声波发送换能器4和超声波接收换能器7中心点之间的距离，v为气体声速。

步骤1)中的超声波换能器的工作温度范围为0℃至50℃之间。

测量的气体介质是空气、氢气、氧气、氮气、甲烷、丙烷或者上述任意两种气体的混合。

上述方法可采用本实用新型的装置进行，如图1所示。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，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改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1. 一种小管径气体声速测量的测试装置，其特征在于：包括调整架机构、角度距离测量机构；调整架机构：包括接收换能器底座（8）、发送换能器角度调整架（3）、调整架底座（6）和调整螺纹杆（5），角度距离测量机构：包括角度刻度盘（2）、接收换能器位置刻度尺（9）和发送换能器调整架位置刻度尺（10）；

超声波接收换能器（7）通过接收换能器底座（8）连接在测试装置壳体（12）的底部中心并上下移动，超声波接收换能器（7）朝向正上方；呈半圆环的发送换能器角度调整架（3）的两端分别通过两侧的调整架底座（6）连接在测试装置壳体（12）的底部，调整架底座（6）上设有凹槽导轨，发送换能器角度调整架（3）的下端安装在凹槽导轨中并沿凹槽导轨水平移动，超声波发送换能器（4）安装在发送换能器角度调整架（3）的半圆环内弧面上并沿内弧面移动；调整螺纹杆（5）穿过测试装置壳体（12）后与发送换能器角度调整架（3）固定连接，通过旋转调整螺纹杆（5）推动发送换能器角度调整架（3）沿凹槽导轨水平移动；

用于测量超声波发送换能器（4）和超声波接收换能器（7）之间旋转角度的角度刻度盘（2）安装在发送换能器角度调整架（3）半圆环外弧面上，用于测量发送换能器调整架（3）水平位移距离的调整架位置刻度尺（10）固定在一侧的调整架底座（6）上，用于测量超声波接收换能器（7）竖直位移距离的接收换能器位置刻度尺（9）固定于超声波接收换能器（7）附近的测试装置壳体（12）底面上；测试小管径气体声速时通过调整使得超声波发送换能器（4）始终朝向超声波接收换能器（7）；测试装置壳体（12）内顶面上均布装有两个温度传感器（11），两内侧面各装有一个温度传感器（11），测试装置壳体（12）一内侧面的上部设有用于气体排入或排出的气体进出口（1），另一侧面的下部设有用于气体排出或排入的气体进出口（1）。

2. 根据权利要求1所述的一种小管径气体声速测量的测试装置，其特征在于：所述的温度传感器为PT100温度传感器。

3. 根据权利要求1所述的一种小管径气体声速测量的测试装置，其特征在于：所述的测量装置中的气体介质是空气、氢气、氧气、氮气、甲烷、丙烷或者上述任意两种气体的混合。