一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置。超聲波接收換能器通過(guò)接收換能器底座連接在測(cè)試測(cè)試裝置殼體上；發(fā)送換能器角度調(diào)整架通過(guò)調(diào)整架底座連接在測(cè)試測(cè)試裝置殼體的底部，超聲波發(fā)送換能器安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架上；調(diào)整螺紋桿穿過(guò)測(cè)試測(cè)試裝置殼體與發(fā)送換能器角度調(diào)整架固接；測(cè)試測(cè)試裝置殼體內(nèi)設(shè)有用于檢測(cè)的角度和位移的角度刻度盤(pán)、調(diào)整架位置刻度尺和接收換能器位置刻度尺；測(cè)試時(shí)超聲波發(fā)送換能器始終朝向超聲波接收換能器；測(cè)試測(cè)試裝置殼體內(nèi)裝有四個(gè)溫度傳感器，并設(shè)有兩個(gè)氣體進(jìn)出口。本實(shí)用新型具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本低、精度高等特點(diǎn)，減小了在小路徑氣體聲速測(cè)量裝置中測(cè)量的誤差。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，尤其是涉及一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在目前的氣體聲速測(cè)量技術(shù)中，普遍采用的測(cè)量氣體聲速方法是傳播時(shí)間法。該技術(shù)方法是在已知兩個(gè)超聲波換能器間距時(shí)，通過(guò)測(cè)量發(fā)送和接收到的超聲波信號(hào)計(jì)算得到氣體介質(zhì)中的平均聲速。在較長(zhǎng)路徑上測(cè)量時(shí)，時(shí)間差法可以做到很高的測(cè)量精度。當(dāng)測(cè)量的管徑不斷變小時(shí)，就需要高精度的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)精確計(jì)算聲音傳播時(shí)間，從而才能保證測(cè)量的精度。并且傳播時(shí)間法在響應(yīng)時(shí)間上存在“死區(qū)”，這樣就限制了該方法的測(cè)量精度。相位偏移法氣體聲速測(cè)量，是一種測(cè)量氣體聲速非常靈敏的方法。該方法是通過(guò)測(cè)量不斷發(fā)送和接收到的超聲波波形的相位差，計(jì)算得到氣體聲速。相位偏移法超聲波氣體聲速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)是可以應(yīng)用到小管徑的測(cè)量中去，管徑尺寸大約為一個(gè)超聲波波長(zhǎng)。
[0003]在氣體介質(zhì)為空氣且在標(biāo)況條件時(shí)，超聲波換能器的諧振頻率分別為40kHz、100kHz、200kHz,聲音的一個(gè)波長(zhǎng)分別為8.5mm、3.4mm、1.7mm。當(dāng)在如此短的路徑上使用相位偏移法測(cè)試氣體聲速時(shí)，超聲波換能器間反射波的存在會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。當(dāng)氣體聲速測(cè)量裝置內(nèi)的溫度發(fā)生改變時(shí)，超聲波換能器的諧振頻率就會(huì)發(fā)生改變，就會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的誤差項(xiàng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了減小在小路徑氣體聲速測(cè)量裝置中測(cè)量的不確定度誤差，本實(shí)用新型提供一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，本實(shí)用新型具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本低、精度高等特點(diǎn)。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0006]本實(shí)用新型包括調(diào)整架機(jī)構(gòu)、角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu)；調(diào)整架機(jī)構(gòu):包括接收換能器底座、發(fā)送換能器角度調(diào)整架、調(diào)整架底座和調(diào)整螺紋桿，角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu):包括角度刻度盤(pán)、接收換能器位置刻度尺和發(fā)送換能器調(diào)整架位置刻度尺；
[0007]超聲波接收換能器通過(guò)接收換能器底座連接在測(cè)試裝置殼體的底部中心并上下移動(dòng)，超聲波接收換能器朝向正上方；呈半圓環(huán)的發(fā)送換能器角度調(diào)整架的兩端分別通過(guò)兩側(cè)的調(diào)整架底座連接在測(cè)試裝置殼體的底部，調(diào)整架底座上設(shè)有凹槽導(dǎo)軌，發(fā)送換能器角度調(diào)整架的下端安裝在凹槽導(dǎo)軌中并沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)，超聲波發(fā)送換能器安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架的半圓環(huán)內(nèi)弧面上并沿內(nèi)弧面移動(dòng)；調(diào)整螺紋桿穿過(guò)測(cè)試裝置殼體后與發(fā)送換能器角度調(diào)整架固定連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺紋桿推動(dòng)發(fā)送換能器角度調(diào)整架沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)；
[0008]用于測(cè)量超聲波發(fā)送換能器和超聲波接收換能器之間旋轉(zhuǎn)角度的角度刻度盤(pán)安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架半圓環(huán)外弧面上，用于測(cè)量發(fā)送換能器調(diào)整架水平位移距離的調(diào)整架位置刻度尺固定在一側(cè)的調(diào)整架底座上，用于測(cè)量超聲波接收換能器豎直位移距離的接收換能器位置刻度尺固定于超聲波接收換能器附近的測(cè)試裝置殼體底面上；測(cè)試小管徑氣體聲速時(shí)通過(guò)調(diào)整使得超聲波發(fā)送換能器始終朝向超聲波接收換能器；測(cè)試裝置殼體內(nèi)頂面上均布裝有兩個(gè)溫度傳感器，兩內(nèi)側(cè)面各裝有一個(gè)溫度傳感器，測(cè)試裝置殼體一內(nèi)側(cè)面的上部設(shè)有用于氣體排入或排出的氣體進(jìn)出口，另一側(cè)面的下部設(shè)有用于氣體排出或排入的氣體進(jìn)出口。
[0009]所述的溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0010]所述的測(cè)量裝置中的氣體介質(zhì)是空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)?、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混合。
[0011]本實(shí)用新型具有的有益效果是:
[0012]本實(shí)用新型給出的采用相位偏移法氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置可應(yīng)用到一個(gè)超聲波波長(zhǎng)管徑以?xún)?nèi)氣體聲速測(cè)量的測(cè)試中，在該測(cè)試裝置中，通過(guò)超聲波換能器間相對(duì)位置的調(diào)整，可以測(cè)試得到換能器間反射波對(duì)氣體聲速測(cè)量影響最小的換能器相對(duì)位置。本實(shí)用新型測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、精度高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型氣體聲速測(cè)量測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型相位偏移法超聲波氣體聲速測(cè)量原理圖。
[0015]圖3是本實(shí)用新型氣體聲速測(cè)量過(guò)程框圖。
[0016]圖1中:1、氣體進(jìn)出口，2、角度刻度盤(pán)，3、發(fā)送換能器角度調(diào)整架，4、超聲波發(fā)送換能器，5、調(diào)整螺紋桿，6、調(diào)整架底座，7、超聲波接收換能器，8、接收換能器底座，9、接收換能器位置刻度尺，10、發(fā)送換能器調(diào)整架位置刻度尺，11、溫度傳感器，12、測(cè)試裝置殼體。
[0017]圖2中:A、超聲波發(fā)送換能器的驅(qū)動(dòng)頻率波形，B、超聲波接收換能器的接收頻率波形，C、異或門(mén)輸出波形。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]如圖1所示，本實(shí)用新型裝置包括調(diào)整架機(jī)構(gòu)、角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu)；調(diào)整架機(jī)構(gòu):包括接收換能器底座8、發(fā)送換能器角度調(diào)整架3、調(diào)整架底座6和調(diào)整螺紋桿5，角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu):包括角度刻度盤(pán)2、接收換能器位置刻度尺9和發(fā)送換能器調(diào)整架位置刻度尺10 ；
[0020]超聲波接收換能器7通過(guò)接收換能器底座8連接在測(cè)試裝置殼體12的底部中心并上下移動(dòng)，超聲波接收換能器7朝向正上方，超聲波接收換能器7固定在接收換能器底座8上，接收換能器底座8螺紋連接在測(cè)試裝置殼體12的底部中心；呈半圓環(huán)的發(fā)送換能器角度調(diào)整架3的兩端分別與兩側(cè)的調(diào)整架底座6連接，調(diào)整架底座6安裝在測(cè)試裝置殼體12的底部，調(diào)整架底座6上設(shè)有凹槽導(dǎo)軌，發(fā)送換能器角度調(diào)整架3的下端安裝在凹槽導(dǎo)軌中并沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)，超聲波發(fā)送換能器4安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架3的半圓環(huán)內(nèi)弧面上并沿內(nèi)弧面移動(dòng)；調(diào)整螺紋桿5穿過(guò)測(cè)試裝置殼體12后與發(fā)送換能器角度調(diào)整架3固定連接，調(diào)整螺紋桿5和測(cè)試裝置殼體12之間螺紋連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺紋桿5推動(dòng)發(fā)送換能器角度調(diào)整架3沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)；
[0021]用于測(cè)量超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7之間旋轉(zhuǎn)角度的角度刻度盤(pán)2安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架3半圓環(huán)外弧面上，用于測(cè)量發(fā)送換能器調(diào)整架3水平位移距離的調(diào)整架位置刻度尺10固定在一側(cè)的調(diào)整架底座6上，用于測(cè)量超聲波接收換能器7豎直位移距離的接收換能器位置刻度尺9固定于超聲波接收換能器7附近的測(cè)試裝置殼體12內(nèi)底面上；測(cè)試小管徑氣體聲速時(shí)通過(guò)調(diào)整使得超聲波發(fā)送換能器4始終朝向超聲波接收換能器7，超聲波發(fā)送換能器4與超聲波接收換能器7中心線(xiàn)的交點(diǎn)位于超聲波接收換能器7的頂面中心；測(cè)試裝置殼體12內(nèi)頂面上均布裝有兩個(gè)溫度傳感器11，兩內(nèi)側(cè)面各裝有一個(gè)溫度傳感器11，測(cè)試裝置殼體12 —內(nèi)側(cè)面的上部設(shè)有用于氣體排入或排出的氣體進(jìn)出口 1，另一側(cè)面的下部設(shè)有用于氣體排出或排入的氣體進(jìn)出口 I。
[0022]溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0023]四個(gè)溫度傳感器采用均布方式排布在測(cè)試裝置殼體12內(nèi)，使得能準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)試裝置殼體12內(nèi)溫度，內(nèi)側(cè)面的溫度傳感器安裝在各自?xún)?nèi)側(cè)面的中部，內(nèi)頂面上的兩個(gè)溫度傳感器間隔均布在內(nèi)頂面上。
[0024]測(cè)量裝置中的氣體介質(zhì)是空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)?、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混合。
[0025]氣體進(jìn)出口 I位置是按照一上一下的分布，進(jìn)氣口和出氣口都是使用螺紋連接方式與外界管道相連接。在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，兩個(gè)氣體進(jìn)出口 I根據(jù)不同氣體的測(cè)試情況調(diào)整，若其中一個(gè)設(shè)為進(jìn)口，則另一個(gè)設(shè)為出口。
[0026]調(diào)整螺紋桿5穿過(guò)發(fā)送換能器角度調(diào)整架3并通過(guò)螺母將發(fā)送換能器角度調(diào)整架3固定在調(diào)整螺紋桿5上。
[0027]所述的測(cè)試裝置殼體12外透過(guò)透明板進(jìn)行觀(guān)察，觀(guān)察通過(guò)角度刻度盤(pán)2、調(diào)整架位置刻度尺和接收換能器位置刻度尺9讀取得到相應(yīng)的超聲波發(fā)送換能器4的旋轉(zhuǎn)角度值、水平位移值和超聲波接收換能器7的豎直位移值。
[0028]調(diào)整螺紋桿5，穿過(guò)測(cè)試裝置殼體12，調(diào)整螺紋桿5和測(cè)試裝置殼體12之間采用螺紋連接的方式。
[0029]本實(shí)用新型中，超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7間的相對(duì)角度和相對(duì)距離都是可以調(diào)整的。通過(guò)旋轉(zhuǎn)安裝在角度調(diào)整架3上的超聲波發(fā)送換能器，使得兩個(gè)換能器中心線(xiàn)的夾角發(fā)生改變，這樣就可以改變兩個(gè)換能器間的正對(duì)面積，從而減小換能器間的反射波帶來(lái)的誤差項(xiàng)。換能器間角度發(fā)生改變后，為保證裝置能正常采用相位偏移法測(cè)量氣體聲速值，需要調(diào)整發(fā)送換能器調(diào)整架3和接收換能器底座8，由此可以分析出換能器間避免反射波影響的最佳角度及相對(duì)距離，從而測(cè)試得到氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置中換能器間相對(duì)位置的最佳設(shè)計(jì)。
[0030]本實(shí)用新型的兩個(gè)換能器間的距離在一個(gè)超聲波的波長(zhǎng)以?xún)?nèi)。如若不滿(mǎn)足該要求就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的測(cè)量誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)量。
[0031]如圖2所示為相位偏移法超聲波氣體聲速測(cè)量原理圖，在實(shí)現(xiàn)氣體聲速測(cè)量上采用的是異或門(mén)方法。通過(guò)測(cè)量超聲波換能器發(fā)送脈沖和超聲波換能器接收脈沖的相位差，來(lái)精確計(jì)算得到小管徑中氣體聲速值。
[0032]如圖3所示為本實(shí)用新型氣體聲速測(cè)量過(guò)程框圖，待測(cè)氣體首先進(jìn)入氣體混合裝置，控制相應(yīng)的加熱或者制冷裝置，調(diào)節(jié)混合裝置內(nèi)部氣體的溫度達(dá)到設(shè)定溫度值。然后氣體進(jìn)入測(cè)試氣體聲速測(cè)量裝置中，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)射器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳給超聲波發(fā)送換能器4，超聲波接收換能器7接收穿過(guò)氣體的脈沖信號(hào)測(cè)量得到氣體聲速值。并且測(cè)量得到當(dāng)前的實(shí)際溫度值。最后氣體排出測(cè)試氣體聲速測(cè)量裝置。
[0033]本實(shí)用新型裝置可進(jìn)行并實(shí)施的測(cè)試方法包括:
[0034]I)在超聲波換能器的工作溫度范圍內(nèi)，每間隔0.5°C建立一個(gè)測(cè)試點(diǎn)；
[0035]2)通過(guò)溫度傳感器11的溫度反饋，控制和維持測(cè)試裝置內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)下溫度恒定，在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度下進(jìn)行測(cè)試，得到與超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7的諧振頻率最接近的驅(qū)動(dòng)頻率；
[0036]3)將上述得到的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)下的溫度和最接近的驅(qū)動(dòng)頻率建立擬合折線(xiàn)；
[0037]4)在小管徑氣體聲速測(cè)量時(shí)，提取擬合折線(xiàn)中與當(dāng)前小管徑氣體聲速測(cè)試溫度最接近的兩個(gè)溫度值，并根據(jù)兩個(gè)溫度值之間最接近的驅(qū)動(dòng)頻率的線(xiàn)性關(guān)系，確定當(dāng)前小管徑氣體聲速測(cè)試溫度下的驅(qū)動(dòng)頻率，從而使用該驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7，這樣能減小由于換能器溫度變化引起超聲波換能器諧振頻率改變對(duì)小管徑氣體聲速測(cè)量精度的影響；
[0038]5)超聲波發(fā)送換能器4發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)介質(zhì)氣體后，產(chǎn)生的時(shí)間延遲影響超聲波接收換能器7接收的超聲波相位值，根據(jù)發(fā)送和接受超聲波的相位差值Ψ，即根據(jù)具有相位差的發(fā)送和接受超聲波信號(hào)，測(cè)量得到與相位差成線(xiàn)性關(guān)系的電壓值，線(xiàn)性關(guān)系為V=kU，其中U為測(cè)量得到電壓值，k為比例系數(shù)。再根據(jù)超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7中心點(diǎn)之間的距離d以及當(dāng)前小管徑氣體聲速測(cè)試溫度下的驅(qū)動(dòng)頻率f，通過(guò)以下公式計(jì)算得到該種氣體介質(zhì)的聲速V:
[0039]t = Ψ / (2 nf)
[0040]V = d/t
[0041]其中，f為驅(qū)動(dòng)頻率，Ψ為發(fā)送和接收超聲波的相位差值，t為超聲波傳播時(shí)間，d為超聲波發(fā)送換能器4和超聲波接收換能器7中心點(diǎn)之間的距離，V為氣體聲速。
[0042]步驟I)中的超聲波換能器的工作溫度范圍為0°C至50°C之間。
[0043]測(cè)量的氣體介質(zhì)是空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)?、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混八口 ο
[0044]上述方法可采用本實(shí)用新型的裝置進(jìn)行，如圖1所示。
[0045]上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋說(shuō)明本實(shí)用新型，而不是對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行限制，在本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本實(shí)用新型作出的任何修改和改變，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，其特征在于:包括調(diào)整架機(jī)構(gòu)、角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu)；調(diào)整架機(jī)構(gòu):包括接收換能器底座(8)、發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)、調(diào)整架底座(6)和調(diào)整螺紋桿(5)，角度距離測(cè)量機(jī)構(gòu):包括角度刻度盤(pán)(2)、接收換能器位置刻度尺(9)和發(fā)送換能器調(diào)整架位置刻度尺(10)； 超聲波接收換能器(7)通過(guò)接收換能器底座(8)連接在測(cè)試裝置殼體(12)的底部中心并上下移動(dòng)，超聲波接收換能器(7)朝向正上方；呈半圓環(huán)的發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)的兩端分別通過(guò)兩側(cè)的調(diào)整架底座(6)連接在測(cè)試裝置殼體(12)的底部，調(diào)整架底座(6)上設(shè)有凹槽導(dǎo)軌，發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)的下端安裝在凹槽導(dǎo)軌中并沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)，超聲波發(fā)送換能器(4)安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)的半圓環(huán)內(nèi)弧面上并沿內(nèi)弧面移動(dòng)；調(diào)整螺紋桿(5)穿過(guò)測(cè)試裝置殼體(12)后與發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)固定連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺紋桿(5)推動(dòng)發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)沿凹槽導(dǎo)軌水平移動(dòng)； 用于測(cè)量超聲波發(fā)送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)之間旋轉(zhuǎn)角度的角度刻度盤(pán)(2)安裝在發(fā)送換能器角度調(diào)整架(3)半圓環(huán)外弧面上，用于測(cè)量發(fā)送換能器調(diào)整架(3)水平位移距離的調(diào)整架位置刻度尺(10)固定在一側(cè)的調(diào)整架底座(6)上，用于測(cè)量超聲波接收換能器(7)豎直位移距離的接收換能器位置刻度尺(9)固定于超聲波接收換能器(7)附近的測(cè)試裝置殼體(12)底面上；測(cè)試小管徑氣體聲速時(shí)通過(guò)調(diào)整使得超聲波發(fā)送換能器(4)始終朝向超聲波接收換能器(7);測(cè)試裝置殼體(12)內(nèi)頂面上均布裝有兩個(gè)溫度傳感器(11)，兩內(nèi)側(cè)面各裝有一個(gè)溫度傳感器(11)，測(cè)試裝置殼體(12) —內(nèi)側(cè)面的上部設(shè)有用于氣體排入或排出的氣體進(jìn)出口(1)，另一側(cè)面的下部設(shè)有用于氣體排出或排入的氣體進(jìn)出口(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，其特征在于:所述的溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小管徑氣體聲速測(cè)量的測(cè)試裝置，其特征在于:所述的測(cè)量裝置中的氣體介質(zhì)是空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)?、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混口 ο
【文檔編號(hào)】G01H5/00GK203837807SQ201420213596
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】劉鐵軍, 周民 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院