小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法。超聲波接收換能器通過接收換能器底座連接在測試測試裝置殼體上；發送換能器角度調整架通過調整架底座連接在測試測試裝置殼體的底部，超聲波發送換能器安裝在發送換能器角度調整架上；調整螺紋桿穿過測試測試裝置殼體與發送換能器角度調整架固接；測試測試裝置殼體內設有用于檢測的角度和位移的角度刻度盤、調整架位置刻度尺和接收換能器位置刻度尺；測試時超聲波發送換能器始終朝向超聲波接收換能器；測試測試裝置殼體內裝有四個溫度傳感器，并設有兩個氣體進出口。本發明具有裝置結構簡單、實際應用強、操作簡單、成本低、精度高等特點，減小了在小路徑氣體聲速測量裝置中測量的誤差。
【專利說明】小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種聲速測量的測試裝置及其測試方法，尤其是涉及一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法。
【背景技術】
[0002]在目前的氣體聲速測量技術中，普遍采用的測量氣體聲速方法是傳播時間法。該技術方法是在已知兩個超聲波換能器間距時，通過測量發送和接收到的超聲波信號計算得到氣體介質中的平均聲速。在較長路徑上測量時，時間差法可以做到很高的測量精度。當測量的管徑不斷變小時，就需要高精度的時鐘信號來精確計算聲音傳播時間，從而才能保證測量的精度。并且傳播時間法在響應時間上存在“死區”，這樣就限制了該方法的測量精度。相位偏移法氣體聲速測量，是一種測量氣體聲速非常靈敏的方法。該方法是通過測量不斷發送和接收到的超聲波波形的相位差，計算得到氣體聲速。相位偏移法超聲波氣體聲速測量的優勢是可以應用到小管徑的測量中去，管徑尺寸大約為一個超聲波波長。
[0003]在氣體介質為空氣且在標況條件時，超聲波換能器的諧振頻率分別為40kHz、100kHz、200kHz,聲音的一個波長分別為8.5mm、3.4mm、1.7mm。當在如此短的路徑上使用相位偏移法測試氣體聲速時，超聲波換能器間反射波的存在會帶來很大的測量誤差。當氣體聲速測量裝置內的溫度發生改變時，超聲波換能器的諧振頻率就會發生改變，如果超聲波換能器的驅動頻率沒有做出調整，那么此時的氣體聲速測量就會產生難以預測的誤差項。
【發明內容】
[0004]為了減小在小路徑氣體聲速測量裝置中測量的不確定度誤差，本發明提供一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法，本發明具有裝置結構簡單、實際應用強、操作簡單、成本低、精度高等特點。
[0005]本發明所采用的技術方案是:
[0006]一、一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置:
[0007]包括調整架機構、角度距離測量機構；調整架機構:包括接收換能器底座、發送換能器角度調整架、調整架底座和調整螺紋桿，角度距離測量機構:包括角度刻度盤、接收換能器位置刻度尺和發送換能器調整架位置刻度尺；
[0008]超聲波接收換能器通過接收換能器底座連接在測試裝置殼體的底部中心并上下移動，超聲波接收換能器朝向正上方；呈半圓環的發送換能器角度調整架的兩端分別通過兩側的調整架底座連接在測試裝置殼體的底部，調整架底座上設有凹槽導軌，發送換能器角度調整架的下端安裝在凹槽導軌中并沿凹槽導軌水平移動，超聲波發送換能器安裝在發送換能器角度調整架的半圓環內弧面上并沿內弧面移動；調整螺紋桿穿過測試裝置殼體后與發送換能器角度調整架固定連接，通過旋轉調整螺紋桿推動發送換能器角度調整架沿凹槽導軌水平移動；
[0009]用于測量超聲波發送換能器和超聲波接收換能器之間旋轉角度的角度刻度盤安裝在發送換能器角度調整架半圓環外弧面上，用于測量發送換能器調整架水平位移距離的調整架位置刻度尺固定在一側的調整架底座上，用于測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試裝置殼體底面上；測試小管徑氣體聲速時通過調整使得超聲波發送換能器始終朝向超聲波接收換能器；測試裝置殼體內頂面上均布裝有兩個溫度傳感器，兩內側面各裝有一個溫度傳感器，測試裝置殼體一內側面的上部設有用于氣體排入或排出的氣體進出口，另一側面的下部設有用于氣體排出或排入的氣體進出口。
[0010]所述的溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0011]所述的測量裝置中的氣體介質是空氣、氫氣、氧氣、氮氣、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混合。
[0012]二、一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置的測試方法:
[0013]I)在超聲波換能器的工作溫度范圍內，每間隔0.5°C建立一個測試點；
[0014]2)通過溫度傳感器控制測試裝置殼體內的溫度在各個測試點的溫度下進行測試，得到與超聲波發送換能器和超聲波接收換能器的諧振頻率最接近的驅動頻率；
[0015]3)將上述得到的各個測試點下的溫度和最接近的驅動頻率建立擬合折線；
[0016]4)在小管徑氣體聲速測試時，提取擬合折線中與當前小管徑氣體聲速測試溫度最接近的兩個溫度值，并根據兩個溫度值之間最接近的驅動頻率的線性關系，確定當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率，從而驅動超聲波發送換能器和超聲波接收換能器；
[0017]5)超聲波發送換能器發射的超聲波經過介質氣體后，根據發送和接受超聲波的相位差值Ψ，再根據超聲波發送換能器和超聲波接收換能器中心點之間的距離d以及當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率f，通過以下公式I計算得到該種氣體介質的聲速V:
[0018]t = Ψ / (2 nf)
[0019]V = d/t
[0020]其中，f為驅動頻率，Ψ為發送和接收超聲波的相位差值，t為超聲波傳播時間，d為超聲波發送換能器和超聲波接收換能器中心點之間的距離，V為氣體聲速。
[0021]所述的步驟I)中的超聲波換能器的工作溫度范圍為0°C至50°C之間。
[0022]本發明具有的有益效果是:
[0023]本發明給出的采用相位偏移法氣體聲速測量的測試裝置，該測試裝置可應用到一個超聲波波長管徑以內氣體聲速測量的測試中，在該測試裝置中，通過超聲波換能器間相對位置的調整，可以測試得到換能器間反射波對氣體聲速測量影響最小的換能器相對位置。并且通過溫度-最佳驅動頻率擬合折線的校準后，顯著的減小了溫度改變對氣體聲速測量的影響。通過上述方法，氣體聲速測量的測試裝置的測量精度得到明顯提高。
[0024]該測試裝置結構簡單、實際應用性強、操作簡單、精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明氣體聲速測量測試裝置結構圖。
[0026]圖2是本發明相位偏移法超聲波氣體聲速測量原理圖。
[0027]圖3是本發明氣體聲速測量過程框圖。
[0028]圖4是本發明混合氣體裝置溫度控制原理框圖。[0029]圖5是本發明溫度測量及頻率控制原理框圖。
[0030]圖1中:1、氣體進出口，2、角度刻度盤，3、發送換能器角度調整架，4、超聲波發送換能器，5、調整螺紋桿，6、調整架底座，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、發送換能器調整架位置刻度尺，11、溫度傳感器，12、測試裝置殼體。
[0031]圖2中:A、超聲波發送換能器的驅動頻率波形，B、超聲波接收換能器的接收頻率波形，C、異或門輸出波形。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0033]如圖1所示，本發明裝置包括調整架機構、角度距離測量機構；調整架機構:包括接收換能器底座8、發送換能器角度調整架3、調整架底座6和調整螺紋桿5，角度距離測量機構:包括角度刻度盤2、接收換能器位置刻度尺9和發送換能器調整架位置刻度尺10 ；
[0034]超聲波接收換能器7通過接收換能器底座8連接在測試裝置殼體12的底部中心并上下移動，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螺紋連接在測試裝置殼體12的底部中心；呈半圓環的發送換能器角度調整架3的兩端分別與兩側的調整架底座6連接，調整架底座6安裝在測試裝置殼體12的底部，調整架底座6上設有凹槽導軌，發送換能器角度調整架3的下端安裝在凹槽導軌中并沿凹槽導軌水平移動，超聲波發送換能器4安裝在發送換能器角度調整架3的半圓環內弧面上并沿內弧面移動；調整螺紋桿5穿過測試裝置殼體12后與發送換能器角度調整架3固定連接，調整螺紋桿5和測試裝置殼體12之間螺紋連接，通過旋轉調整螺紋桿5推動發送換能器角度調整架3沿凹槽導軌水平移動；
[0035]用于測量超聲波發送換能器4和超聲波接收換能器7之間旋轉角度的角度刻度盤2安裝在發送換能器角度調整架3半圓環外弧面上，用于測量發送換能器調整架3水平位移距離的調整架位置刻度尺10固定在一側的調整架底座6上，用于測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附近的測試裝置殼體12內底面上；測試小管徑氣體聲速時通過調整使得超聲波發送換能器4始終朝向超聲波接收換能器7，超聲波發送換能器4與超聲波接收換能器7中心線的交點位于超聲波接收換能器7的頂面中心；測試裝置殼體12內頂面上均布裝有兩個溫度傳感器11，兩內側面各裝有一個溫度傳感器11，測試裝置殼體12 —內側面的上部設有用于氣體排入或排出的氣體進出口 1，另一側面的下部設有用于氣體排出或排入的氣體進出口 I。
[0036]溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0037]四個溫度傳感器采用均布方式排布在測試裝置殼體12內，使得能準確測量測試裝置殼體12內溫度，內側面的溫度傳感器安裝在各自內側面的中部，內頂面上的兩個溫度傳感器間隔均布在內頂面上。
[0038]測量裝置中的氣體介質是空氣、氫氣、氧氣、氮氣、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混合。
[0039]氣體進出口 I位置是按照一上一下的分布，進氣口和出氣口都是使用螺紋連接方式與外界管道相連接。在實際應用的時候，兩個氣體進出口 I根據不同氣體的測試情況調整，若其中一個設為進口，則另一個設為出口。[0040]調整螺紋桿5穿過發送換能器角度調整架3并通過螺母將發送換能器角度調整架3固定在調整螺紋桿5上。
[0041]所述的測試裝置殼體12外透過透明板進行觀察，觀察通過角度刻度盤2、調整架位置刻度尺和接收換能器位置刻度尺9讀取得到相應的超聲波發送換能器4的旋轉角度值、水平位移值和超聲波接收換能器7的豎直位移值。
[0042]調整螺紋桿5，穿過測試裝置殼體12，調整螺紋桿5和測試裝置殼體12之間采用螺紋連接的方式。
[0043]本發明中，超聲波發送換能器4和超聲波接收換能器7間的相對角度和相對距離都是可以調整的。通過旋轉安裝在角度調整架3上的超聲波發送換能器，使得兩個換能器中心線的夾角發生改變，這樣就可以改變兩個換能器間的正對面積，從而減小換能器間的反射波帶來的誤差項。換能器間角度發生改變后，為保證裝置能正常采用相位偏移法測量氣體聲速值，需要調整發送換能器調整架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距離，從而測試得到氣體聲速測量的測試裝置中換能器間相對位置的最佳設計。
[0044]本發明的兩個換能器間的距離在一個超聲波的波長以內。如若不滿足該要求就會產生嚴重的測量誤差，無法實現正確的測量。
[0045]如圖2所示為相位偏移法超聲波氣體聲速測量原理圖，在實現氣體聲速測量上采用的是異或門方法。通過測量超聲波換能器發送脈沖和超聲波換能器接收脈沖的相位差，來精確計算得到小管徑中氣體聲速值。
[0046]如圖3所示為本發明氣體聲速測量過程框圖，待測氣體首先進入氣體混合裝置，控制相應的加熱或者制冷裝置，調節混合裝置內部氣體的溫度達到設定溫度值。然后氣體進入測試氣體聲速測量裝置中，超聲波驅動信號發射器將驅動信號傳給超聲波發送換能器4，超聲波接收換能器7接收穿過氣體的脈沖信號測量得到氣體聲速值。并且測量得到當前的實際溫度值。最后氣體排出測試氣體聲速測量裝置。
[0047]本發明裝置的測試方法包括:
[0048]I)在超聲波換能器的工作溫度范圍內，每間隔0.5°C建立一個測試點；
[0049]2)通過溫度傳感器11的溫度反饋，控制和維持測試裝置內各個測試點下溫度恒定，在各個測試點的溫度下進行測試，得到與超聲波發送換能器4和超聲波接收換能器7的諧振頻率最接近的驅動頻率；
[0050]3)將上述得到的各個測試點下的溫度和最接近的驅動頻率建立擬合折線；
[0051]4)在小管徑氣體聲速測量時，提取擬合折線中與當前小管徑氣體聲速測試溫度最接近的兩個溫度值，并根據兩個溫度值之間最接近的驅動頻率的線性關系，確定當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率，從而使用該驅動頻率驅動超聲波發送換能器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小管徑氣體聲速測量精度的影響；
[0052]5)超聲波發送換能器4發射的超聲波經過介質氣體后，產生的時間延遲影響超聲波接收換能器7接收的超聲波相位值，根據發送和接受超聲波的相位差值Ψ，即根據具有相位差的發送和接受超聲波信號，測量得到與相位差成線性關系的電壓值，線性關系為V=k U，其中U為測量得到電壓值，k為比例系數。再根據超聲波發送換能器4和超聲波接收換能器7中心點之間的距離d以及當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率f，通過以下公式計算得到該種氣體介質的聲速V:
[0053]t = ψ/(2 31 f)
[0054]V = d/t
[0055]其中，f為驅動頻率，Ψ為發送和接收超聲波的相位差值，t為超聲波傳播時間，d為超聲波發送換能器4和超聲波接收換能器7中心點之間的距離，V為氣體聲速。
[0056]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。
[0057]測量的氣體介質是空氣、氫氣、氧氣、氮氣、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混合。[0058]上述方法可采用本發明的裝置進行，如圖1所示。
[0059]本發明改變超聲波換能器的驅動頻率時，也需要通過重新計算來判斷需要調整換能器的間距及調整間距的大小。
[0060]由于測量氣體聲速裝置內的溫度改變，超聲波換能器的諧振頻率會發生偏移。為了減小這個問題給測量帶來的誤差，本發明利用反饋溫度值，校準超聲波換能器驅動頻率的方法來減小溫度改變對換能器工作的影響。
[0061]本發明方法實現氣體聲速值精確測量，根據氣體聲速值來準確計算出氣體成分或混合氣體的比重。
[0062]本發明方法的實施例及測量數據:
[0063]超聲波接收換能器7接收到超聲波信號的幅值越大，表明驅動頻率越接近超聲波換能器的諧振頻率，根據該原理可以測試得到不同溫度測試點下的最佳驅動頻率值。
[0064]在氣體介質為空氣、超聲波換能器間的角度為60°、超聲波換能器間距為5mm、超聲波換能器的標稱諧振頻率為40k Hz條件下:
[0065]將氣體聲速測量的測試裝置內的溫度控制在20°C至30.5°C，每隔0.5°C增加一個測試點，在各個測試點，給超聲波發送換能器4提供一系列的驅動頻率，驅動頻率的范圍為38kHz至42kHz，提供的一系列驅動頻率每隔50HZ。根據超聲波接收換能器7接收到超聲波信號幅值大小，判斷得到標稱諧振頻率為40k Hz的在各個測試溫度點的最佳驅動頻率值，其測試結果如下表所示(溫度單位為。C，頻率單位為kHz):
[0066]表1
[0067]
【權利要求】
1.一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置，其特征在于:包括調整架機構、角度距離測量機構；調整架機構:包括接收換能器底座(8)、發送換能器角度調整架(3)、調整架底座(6)和調整螺紋桿(5)，角度距離測量機構:包括角度刻度盤(2)、接收換能器位置刻度尺(9)和發送換能器調整架位置刻度尺(10)； 超聲波接收換能器(7)通過接收換能器底座(8)連接在測試裝置殼體(12)的底部中心并上下移動，超聲波接收換能器(7)朝向正上方；呈半圓環的發送換能器角度調整架(3)的兩端分別通過兩側的調整架底座(6)連接在測試裝置殼體(12)的底部，調整架底座(6)上設有凹槽導軌，發送換能器角度調整架(3)的下端安裝在凹槽導軌中并沿凹槽導軌水平移動，超聲波發送換能器(4)安裝在發送換能器角度調整架(3)的半圓環內弧面上并沿內弧面移動；調整螺紋桿(5)穿過測試裝置殼體(12)后與發送換能器角度調整架(3)固定連接，通過旋轉調整螺紋桿(5)推動發送換能器角度調整架(3)沿凹槽導軌水平移動； 用于測量超聲波發送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)之間旋轉角度的角度刻度盤(2)安裝在發送換能器角度調整架(3)半圓環外弧面上，用于測量發送換能器調整架(3)水平位移距離的調整架位置刻度尺(10)固定在一側的調整架底座(6)上，用于測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)附近的測試裝置殼體(12)底面上；測試小管徑氣體聲速時通過調整使得超聲波發送換能器 (4)始終朝向超聲波接收換能器(7);測試裝置殼體(12)內頂面上均布裝有兩個溫度傳感器(11)，兩內側面各裝有一個溫度傳感器(11)，測試裝置殼體(12) —內側面的上部設有用于氣體排入或排出的氣體進出口(I)，另一側面的下部設有用于氣體排出或排入的氣體進出口(I)。
2.根據權利要求1所述的一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置，其特征在于:所述的溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置，其特征在于:所述的測量裝置中的氣體介質是空氣、氫氣、氧氣、氮氣、甲烷、丙烷或者上述任意兩種氣體的混口 ο
4.用于權利要求1所述的一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置的測試方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在超聲波換能器的工作溫度范圍內，每間隔0.5°C建立一個測試點； 2)通過溫度傳感器(11)控制測試裝置殼體(12)內的溫度在各個測試點的溫度下進行測試，得到與超聲波發送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)的諧振頻率最接近的驅動頻率； 3)將上述得到的各個測試點下的溫度和最接近的驅動頻率建立擬合折線； 4)在小管徑氣體聲速測試時，提取擬合折線中與當前小管徑氣體聲速測試溫度最接近的兩個溫度值，并根據兩個溫度值之間最接近的驅動頻率的線性關系，確定當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率，從而驅動超聲波發送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)； 5)超聲波發送換能器(4)發射的超聲波經過介質氣體后，根據發送和接受超聲波的相位差值Ψ，再根據超聲波發送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)中心點之間的距離d以及當前小管徑氣體聲速測試溫度下的驅動頻率f，通過以下公式I計算得到該種氣體介質的聲速V:t = ψ/(2 31 f)
V = d/t 其中，f為驅動頻率，Ψ為發送和接收超聲波的相位差值，t為超聲波傳播時間，d為超聲波發送換能器(4)和超聲波接收換能器(7)中心點之間的距離，V為氣體聲速。
5.根據權利要求4所述的一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置的測試方法，其特征在于:所述的步驟I)中 的超聲波換能器的工作溫度范圍為0°c至50°C之間。
【文檔編號】G01H5/00GK103994813SQ201410174945
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】劉鐵軍, 周民 申請人:中國計量學院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
