CN204964058U - 一种基于超声波的无线插入式温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波的无线插入式温度测量装置，包括温度传感模块、电路实现模块、算法控制模块以及无线通信模块。所述温度传感模块由压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆三部分组成，所述换能器用于实现声电的互相转换，所述绝热片对换能器起着隔热保护作用，所述超声波传播导杆用于实现温度测量的转换，在测量过程中插入到钢水中一定深度感知钢水温度。所述电路实现模块由放大滤波电路、A/D转换电路、D/A转换电路、状态选择电路、D/A转换电路和功率放大电路组成。所述算法控制模块由FPGA和CPU组成。所述无线通信模块为信号发射和接收的集成电路。本设计结构简单，实用性强，测量精度高，响应速度快，适用于温度精确控制系统。

Description

一种基于超声波的无线插入式温度测量装置

技术领域

本实用新型属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种用超声波技术测量温度的装置。

背景技术

在钢水的冶炼、精炼以及浇铸等过程中，温度始终是一最重要的参数。例如在浇铸过程中，钢水从坩埚中注入模具前的温度对铸件的力学性能(持久性、瞬时性、机械强度等)和金相组织起决定性作用。目前，对钢水的温度测量主流是采用一次性快速热电偶。一次性快速热电偶的测量原理是利用热电效应，响应速度需五秒左右，属于间断性测量，实时性差存在滞后性，易受电磁干扰，热电偶的偶头属于一次性消耗，每次测量都需要更换偶头，使得测量操作不方便，更是会对钢水引入杂质。另外，测量过程中，工人受到的高温辐射强度大，有时需多次测量才能得到测量结果，可靠性比较差，为了提高测量结果的有效性，需要采用多层保护管等复杂的结构，误差一般保持在±3-5℃。高温钢水温度的测量环境恶劣，测量装置需要同时满足耐高温、抗热震、抗冲刷，高温化学性能稳定，高温抗折、抗拉性能优良等，同时满足这样需求的材料少，且大都不适合制成热电偶或者价格高昂不利于推广使用。鉴于以上事实，热电偶测量法不能满足现代工业新技术对温度监测的迅速、准确、连续等要求，不利于实现温度的小范围自动控制。

因此，研发一种反应速度快、结果准确度高、实时连续性好的钢水温度在线检测装置具有重大的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服当前钢水温度测量技术难题，针对以上问题提供一种基于超声波的无线插入式钢水温度测量装置。本实用新型利用超声波在介质中的传播方向性好、能够定向传播、传播时遇到分界面就会有显著的反射的特性，设计本装置，其反应速度快、结果准确度高、实时连续性好，使用方便、测量精度高达0.1℃、可实时连续测量，可节省大量人力物力。

本实用新型包含温度传感模块、电路实现模块、算法控制模块以及无线通信接模块四部分组成，四个模块依次连接。

温度传感模块，用于以超声波为中间变量对温度感知并输出电信号从而实现温度的采集。其包括压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆，所述绝热片安装在电式超声波换能器和超声波传播导杆之间，由一个套筒外加固定三者的相对位置。电式超声波换能器与电路实现模块通过信号线连接。超声波换能器用于产生超声波信号和接收反射回来的超声波信号，是声电信号互相转换的实现部件。超声波换能器有发射和接收两种工作状态，处于发射工作状态时将电信号转换为超声波信号，处于接收工作状态时将超声波信号转换为电信号。所述导杆是超声波的传播介质途径，每次测量超声波在所述导杆中传播一个来回，导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的特殊材料，如二硼化锆、二硼化钛等。另外，所述导杆需要经过特殊处理达到不沾钢水的功效，实现多次连续使用测量钢水温度的目的。所述导杆是本设计的核心，是实现温度转换测量的关键。当钢水温度改变时，超声波在所述导杆中的传播速度会对应的发生改变，而导杆的尺寸固定，超声波传播到导杆与钢水的分界面就会反射，那么测得超声波在导杆中一个来回的传播时间，就可以计算出传播速度，进而计算出对应的钢水温度值。所述绝热片是由绝热性能良好的材料制成，安装在换能器和导杆之间，用于隔绝高温从而保护换能器不被高温所损坏。超声波传播经过所述绝热片时，会在所述绝热片和导杆交界面反射形成一个回波，但绝热片厚度小，这段波的传播时间远远小于导杆与钢水交界反射波的传播时间，容易识别并排除干扰。

电路实现模块用于实现模拟信号与数字信号的互相转换和对信号放大与滤波的功能，包括状态选择电路、数字模拟信号转换电路D/A、功率放大电路、模拟数字信号转换电路A/D和放大滤波电路，所述电路实现模块与算法控制模块通过电信号连接。状态选择电路在FPGA的控制下完成对超声波换能器的发射与接收两种工作状态的切换。数字模拟信号转换电路D/A的功能是把FPGA发出的数字正弦信号转换成模拟正弦信号，该信号经功率放大电路放大后用于驱动换能器发生机械振动进而产生超声波信号。功率放大电路的功效是，赋予模拟正弦信号足够的能量来驱动超声波换能器产生满足要求的超声波。放大滤波电路的作用在于对微弱的回波电信号进行放大和过滤，便于后续工作的实现。模拟数字信号转换电路A/D的功能是数据采集，将模拟回波电信号标准化为数字电信号。

算法控制模块，包括现场可编程门列阵FPGA和中央处理单元CPU，用于对整个温度测量过程的时序控制和通过细分查补算法实现温度测量；算法控制模块与无线通信模块通过电信号连接。所述现场可编程门列阵FPGA通过控制状态选择电路来实现换能器工作状态的切换；所述现场可编程门列阵FPGA生成发射超声波的控制信号，发出数字正弦信号，控制时序同步，并内建存储区快速存储高速A/D输出的数据；所述CPU发出测量开始指令，并读取所述FPGA内建存储区的数据，通过细分查补算法计算出温度值，实现分辨率为0.1℃的温度测量。

无线通信模块，包括发射和接收的集成电路，是一个集信号发射功能和信号接收功能于一体的无线接口装置，用于数据和信号传输以实现控制和人机交互。

进一步，在所述电路实现模块中，数字模拟转换电路D/A与状态选择电路和现场可编程门列阵FPGA以及功率放大电路连接，功率放大电路与数字模拟信号转换电路D/A和所述压电式超声波换能器连接，所述压电式超声波换能器还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路再连至模拟数字信号转换电路A/D，模拟数字信号转换电路A/D再与状态选择电路和所述现场可编程门列阵FPGA连接。

进一步，所述无线通信模块是一个集信号发射功能和信号接收功能于一体的无线接口装置。

所述超声波传播导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的材料。

所述超声波传播导杆的材料选自二硼化锆、二硼化钛。

本温度测量装置具有以下几个方面的优点：

1.结构简单、使用方便，便于维护；

2.可在线连续测量、反应速度快，有利于温度的实时控制；

3.可以实现温度0.1℃的精确测量，是现有热电偶技术的数十倍；

4.测量过程中减少了人为因素的参与，可靠性得到提高。

综上，本温度测量装置设计新颖，简单而实用性强，使用寿命极长，测量可靠性好，具有非常可观的推广价值。

附图说明

图1本温度测量装置的原理框图。

图2其中温度传感部分使用状态的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明实用新型的具体实现方式：

本温度测量装置包含温度传感模块、电路实现模块、算法控制模块以及无线通信接模块四部分组成，四个模块依次连接。温度传感部分用于实现将温度的变化转化为超声波速度的变化，进一步转化为电压信号的变化。电路实现部分用于实现模拟信号与数字信号的互相转换，还包括对信号的放大和杂质过滤功能。算法控制实现部分是对整个温度测量过程的时序控制和通过细分查补算法实现温度0.1℃精度的测量。无线通信接口部分用于实现测量结果的无线传输便于显示、存档和控制等的使用，并且能够接收外部控制信号从而实现人机交互。

具体如图1所示，本温度测量装置包含用于检测温度信号并转换为电压信号输出的温度传感模块1，用于对温度传感模块1输出的回波电压信号进行放大过滤处理的放大滤波电路2，用于将放大滤波电路2输出的模拟信号转换为数字信号的A/D转换电路3，用于构建存储高速A/D转换电路3输出数据的快速存储区和测量过程控制的FPGA7，用于执行FPGA7控制指令来实现状态切换的状态选择电路6，用于将FPGA7发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号的D/A转换电路5，用于将D/A电路5的输出进行功率放大并驱动超声波换能器产生超声波的功率放大电路4，用于控制FPGA7和通过读取FPGA7存储区的数据并利用细分查补算法最终精确计算出所测温度值的CPU8，用于将CPU8的计算结果传输出去供显示器等设备使用的无线通信接口9。

温度传感模块1结构如图2所示，包括压电式超声波换能器11、绝热片12和超声波传播导杆13，绝热片12安装在电式超声波换能器11和超声波传播导杆13之间，由一个套筒14外加固定三者的相对位置。超声波换能器11是一个压电式传感器，用于将电压信号转换为机械振动，当震动的频率是在超声波的频率范围之内，那么这时就实现了将电信号转换为超声波信号；另外，超声波换能器11也可以接收反射回来的超声波信号，进而将超声波信号转换为电信号。绝热片12良好的绝热特性可以对换能器进行有效保护，防止超声波换能器11被高温影响性能乃至损坏。超声波传播导杆13测量时插入到钢水中不小于300毫米。超声波传播导杆13是实现温度转换测量的关键部件，当钢水的温度改变时，超声波在导杆中的传播速度也会对应的改变。导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的特殊材料，如二硼化锆、二硼化钛等。图2中的14为套筒，对换能器、绝热片和导杆的安装起着固定作用。

以上所述，仅是本实用新型较佳实例，并非对本实用新型的任何限制。任何根据本实用新型本质所做的修改、等效变换均属本方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于，包括:

温度传感模块，其包括压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆，用于以超声波为中间变量对温度感知并输出电信号从而实现温度的采集；所述绝热片安装在电式超声波换能器和超声波传播导杆之间，由一个套筒固定三者的相对位置，电式超声波换能器与电路实现模块通过信号线连接；

电路实现模块，包括状态选择电路、数字模拟信号转换电路D/A、功率放大电路、模拟数字信号转换电路A/D和放大滤波电路，用于实现模拟信号与数字信号的互相转换和对信号放大与滤波的功能；所述电路实现模块与算法控制模块通过电信号连接；

算法控制模块，包括现场可编程门列阵FPGA和中央处理单元CPU，用于对整个温度测量过程的时序控制和通过细分查补算法实现温度测量；算法控制模块与无线通信模块通过电信号连接；

无线通信模块，包括发射和接收的集成电路，用于数据和信号传输以实现控制和人机交互。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于：所述电路实现模块中，数字模拟转换电路D/A与状态选择电路和现场可编程门列阵FPGA以及功率放大电路连接，功率放大电路与数字模拟信号转换电路D/A和所述压电式超声波换能器连接，所述压电式超声波换能器还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路再连至模拟数字信号转换电路A/D，模拟数字信号转换电路A/D再与状态选择电路和所述现场可编程门列阵FPGA连接。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于：所述无线通信模块是一个集信号发射功能和信号接收功能于一体的无线接口装置。

4.根据权利要求1所述的基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于：超声波传播导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的材料。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于：超声波传播导杆的材料选自二硼化锆、二硼化钛。