小管径气体声速测量的测试装置及其测试方法

摘要

本发明公开了一种小管径气体声速测量的测试装置及其测试方法。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。本发明具有装置结构简单、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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声速测量的测试装置及其测试方法，尤其是涉及一种小管径 气体声速测量的测试装置及其测试方法。

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，如果超声波换能器的驱动频率没有做出调整，那么此时的 气体声速测量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，本发明提供一 种小管径气体声速测量的测试装置及其测试方法，本发明具有装置结构简单、实 际应用强、操作简单、成本低、精度高等特点。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种小管径气体声速测量的测试装置：

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、 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。

二、一种小管径气体声速测量的测试装置的测试方法：

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)通过温度传感器控制测试装置壳体内的温度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和超声波接收换能器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试时，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，从而驱动超声波发送换 能器和超声波接收换能器；

5)超声波发送换能器发射的超声波经过介质气体后，根据发送和接受超声 波的相位差值ψ，再根据超声波发送换能器和超声波接收换能器中心点之间的 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1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和超声波接收换能器中心点之间的距离，v为气体 声速。

所述的步骤1)中的超声波换能器的工作温度范围为0℃至50℃之间。

本发明具有的有益效果是：

本发明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。并且通过温度-最佳驱动频率拟合折线的校准后，显著的 减小了温度改变对气体声速测量的影响。通过上述方法，气体声速测量的测试装 置的测量精度得到明显提高。

该测试装置结构简单、实际应用性强、操作简单、精度高。

附图说明

图1是本发明气体声速测量测试装置结构图。

图2是本发明相位偏移法超声波气体声速测量原理图。

图3是本发明气体声速测量过程框图。

图4是本发明混合气体装置温度控制原理框图。

图5是本发明温度测量及频率控制原理框图。

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发明做进一步说明。

如图1所示，本发明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。

本发明中，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。

本发明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所示为本发明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。

本发明装置的测试方法包括：

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＝k U，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。

上述方法可采用本发明的装置进行，如图1所示。

本发明改变超声波换能器的驱动频率时，也需要通过重新计算来判断需要调 整换能器的间距及调整间距的大小。

由于测量气体声速装置内的温度改变，超声波换能器的谐振频率会发生偏 移。为了减小这个问题给测量带来的误差，本发明利用反馈温度值，校准超声 波换能器驱动频率的方法来减小温度改变对换能器工作的影响。

本发明方法实现气体声速值精确测量，根据气体声速值来准确计算出气体成 分或混合气体的比重。

本发明方法的实施例及测量数据：

超声波接收换能器7接收到超声波信号的幅值越大，表明驱动频率越接近超 声波换能器的谐振频率，根据该原理可以测试得到不同温度测试点下的最佳驱动 频率值。

在气体介质为空气、超声波换能器间的角度为60°、超声波换能器间距为 5mm、超声波换能器的标称谐振频率为40k Hz条件下：

将气体声速测量的测试装置内的温度控制在20℃至30.5℃，每隔0.5℃增加 一个测试点，在各个测试点，给超声波发送换能器4提供一系列的驱动频率，驱 动频率的范围为38kHz至42kHz，提供的一系列驱动频率每隔50HZ。根据超声 波接收换能器7接收到超声波信号幅值大小，判断得到标称谐振频率为40k Hz 的在各个测试温度点的最佳驱动频率值，其测试结果如下表所示(温度单位为℃, 频率单位为kHz)：

表1

温度 0 0.5 1 1.5 2 ...... 20 20.5 21 21.5 22 最佳驱动频率 41.5 41.5 41.5 41.45 41.45 ...... 40.5 40.45 40.45 40.35 40.3 温度 22.5 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 最佳驱动频率 40.25 40.2 40.2 40.1 40.05 40 39.95 39.95 39.85 39.8 39.75 温度 28 28.5 29 29.5 30 30.5 ...... 48.5 49 49.5 50 最佳驱动频率 39.75 39.65 39.6 39.55 39.5 39.5 ...... 38.6 38.6 38.55 38.55

实施例中所用超声波发送和接收换能器型号分别为：EFR-TQB40KS、 EFR-TSB40K5。

由此可见，在不同的温度测试点，超声波换能器谐振频率不同。如果在实际 应用中不改变驱动频率来匹配超声波换能器的谐振频率，那么就会造成超声波换 能器的谐振频率与驱动频率不一致，从而产生相位差偏移量ψ_d，影响气体声速测 量精度。

气体声速测量原理：相位偏移法气体声速测量是根据超声波发送换能器4和 超声波接收换能器7的相位差，计算出超声波在气体介质中的传播时间。测量得 到的电压值与相位差成正比，即ψ＝k U，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中心点之间的距离以及 当前小管径气体声速测试温度下的驱动频率，通过以下公式和公式计算得到该 种气体介质的声速：

t＝ψ/(2πf)

v＝d/t

设计原理：超声波换能器间的反射波会叠加到超声波接收换能器7接收的 超声波信号中，当反射波的相位和接收的超声波相位的相位差是0、π、2π、…、 nπ时，反射波对接收的超声波相位没有影响，当反射波的相位和接收的超声波 相位的相位差是π/2、3π/2、5π/2、…、(2n+1)*π/2时，反射波对接收的超声 波相位影响最大。其中：n＝0、1、2、3…。当它们之间的相位差在这两种情况 之间时，对测量的相位差也是有影响的。反射波的存在就会造成超声波发送换 能器4发射超声波相位和超声波接收换能器7的接收超声波的相位差发生偏移。 因此，要减小超声波换能器间反射波。

温度改变，会造成超声波换能器的谐振频率偏移。在超声波换能器的谐振频 率与驱动频率不一致情况下，超声波换能器的工作系统可以看作是是单自由度的 阻尼弹簧系统。这样就会造成相位差的偏移，超声波换能器的谐振频率与驱动频 率偏差越大，所引起的相位差偏移量也越大。这种系统产生的相位差偏移量可以 由以下公式计算得到：

${\psi }_d={\tan }^{-1}\left[\frac{2\xi (f/f_n)}{1-{(f/f_n)}^2}\right]$

其中，ψ_d为谐振频率偏移引起的相位差偏移量，f_n为超声波换能器的谐振频 率，f为驱动频率，ξ为阻尼系数。

因此，要让使用的驱动频率更加接近超声波换能器谐振频率。

如图4所示为本发明的混合气体装置温度控制原理框图，通过温度传感器 11测量测试装置壳体12内的温度值，将温度信号传输到温度控制器。根据设定 的温度值，通过对装置体积、气体介质的比热容、容器散热情况的分析计算， 温度控制器通过PID方法计算将控制信号作用到对应的加热或者制冷温度控制 元件，随后将加热或者制冷后的气体传输到气体声速测量的测试装置中，通过 连续多次的温度反馈控制，保证气体声速测量的测试装置内温度恒定。该温度 控制方法的使用是实现在温度测试点换能器最佳驱动频率值测量的前提要求。

如图5所示为本发明温度测量及频率控制原理框图，通过将测量的温度值 输入到频率控制器，气体声速测量的测试装置根据测试得到的温度-最佳驱动频 率拟合折线，调整超声波驱动信号发送器发射的驱动频率值，从而减小温度改 变对气体声速测量的影响。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。