双向外夹式流量检测超声换能器及流量检测方法技术

双向外夹式流量检测超声换能器及流量检测方法，属于超声流量检测技术领域

【技术实现步骤摘要】
双向外夹式流量检测超声换能器及流量检测方法


[0001]本专利技术属于超声流量检测
，涉及一种双向超声换能器结构及流量检测方法
。

技术介绍

[0002]时间差法超声波流量检测技术是一种通过测量流体顺流与逆流中超声波传播时间差以测量流体流速的技术，目前广泛应用于日常生活
、
工业生产以及航天航空等领域
。
然而，目前时间差法超声波流量检测中使用的换能器多为单向换能器
。
[0003]单向换能器一般使用压电陶瓷作为振动源，将其固定在一定角度的楔形块上，使得超声波能够以一定角度入射
。
同时在压电陶瓷前后使用匹配层与吸收层以增强信号质量
。
其吸收层使用吸声材料使得超声波机械能转化为其他能量形式，可以减少声波在压电陶瓷背面反射引入的杂波
。
匹配层使用四分之一波长厚度的特定声阻抗材料，能够使超声波反射后与原声波同相位叠加，增强入射超声波强度
。
[0004]在时间差法流量检测时，超声波换能器有多种安装方式，如插入式
、
管段式
、
外夹式等
。
其中，外夹式超声流量检测技术是一种非接触式
、
非侵入式检测
。
外夹式超声流量检测方式是现阶段唯一可以实现在不对管道进行切割改装的情况下，在任意粗细的管道上进行检测的方式
。
同时，外夹式超声流量检测装置安装在待测管壁以外，这种安装方式不与液体直接接触，不会因直接接触液体对管道内液体造成气泡
、
流量变化等干扰，甚至不会造成管道中液体内部的压力变化，液体流量检测结果更加精准
。
[0005]在外夹式时间差法超声波流量测量过程中，超声波在充满液体的管道中的传播路径如图1所示，图1中
h
为超声波在换能器中传播时垂直方向距离
(m)
，
w
为管壁厚度
(m)
，
L
为超声波在液体内部反射一次所传播路径长度
(m)
，
α
为以换能器与管壁为分界面
、
换能器侧超声波轨迹与分界面法线夹角角度
(rad)
，
β
为以管壁与液体为分界面
、
管壁侧超声波轨迹与分界面法线夹角角度
(rad)
，
φ
为以管壁与液体为分界面
、
液体侧超声波轨迹与分界面夹角角度
(rad)
，
c
p
为换能器材料中超声波速度
(m/s)
，
c
w
为管壁材料中超声波速度
(m/s)
，
c
l
为液体中超声波速度
(m/s)
，
v
u
为液体平均流速
(m/s)。
[0006]位于上游的换能器向位于下游的换能器发射超声波信号，超声波存在传播时间
t
down
。
紧接着下游换能器再向上游的换能器发射超声波信号，再次获得一个传播时间
t
up
。
当超声波顺流而下时，由于液体流速方向与超声传播方向相同，使得叠加后的声波传播速度增大；而超声波反向传播时，液体流速方向与超声波传播方向相反，导致声波传播速度减小，所以传播时间
t
down
比
t
up
更短
。t
up
和
t
down
的时间差
Δ
t
反映出了液体流速信息，可以通过公式推导获得液体流量
Q
与时间差
Δ
t
的关系
。
[0007][0008][0009]式中，
n
与
Re
雷诺数有关，某一特定流速的液体下是一个常数；
k
为超声波在液体中直线传播次数；
K
x
为修正系数
。
[0010]使用两个单向换能器进行一次流量检测，需要在超声波顺流发射与接收
、
超声波逆流发射与接收的两个场景下分别进行测量
。
由于流量存在波动，分时测量的第二个测量声波将与第一次测量声波产生较大误差，影响测量精度
。
[0011]因此，为了实现同时测量的效果，目前超声波流量检测时通常会增加其单向换能器至四个及以上，组成两对及以上的发射与接收换能器组合对，从而实现同时测量的目的
。
但换能器数量增加后带来装置变大
、
控制系统与电路设计复杂
、
小管道上测量困难
、
成本更加高昂等问题
。

技术实现思路

[0012]本专利技术为了解决现有的发射与接收换能器组合对方式进行测量时存在装置体积大
、
测量成本高的问题，以及在小管道上测量困难的问题
。
[0013]一种双向外夹式流量检测超声换能器，包括“M”形块体和压电陶瓷；
[0014]“M”形块体的“M”形上端的两个倾斜面成“V”形，成“V”形的两个倾斜面构成了双向平面，即声波反射分流面；“M”形块体的“M”形两侧的两个倾斜面分别设置有声波吸收槽；
[0015]“M”形块体底部中间设置有压电陶瓷安装槽，压电陶瓷水平放置在底部的压电陶瓷安装槽内，压电陶瓷对正两个声波反射分流面的中心；激励信号通过压电陶瓷上引线接入，压电陶瓷向上发射超声波，此时单向声波经过“M”形块体的双向平面按两个预设角度进入待测管道内部，或者压电陶瓷接收超声波，单向声波经过“M”形块体的双向平面后被压电陶瓷接收；
[0016]压电陶瓷与压电陶瓷安装槽的上槽面之间设置有匹配层
。
[0017]进一步地，所述“M”形块体的材料使用聚醚醚酮或者有机玻璃
。
[0018]进一步地，所述“M”形块体采用
CNC
或浇筑成型方式进行加工
。
[0019]进一步地，所述声波吸收槽由多个弧形并列组合构成
。
[0020]进一步地，“M”形块体底部的两端分别设置有固定孔
。
[0021]进一步地，压电陶瓷采用硅胶或其他胶类固定在压电陶瓷安装槽内
。
[0022]进一步地，压电陶瓷与匹配层
、
匹配层与“M”形块体之间均通过超声耦合剂连接
。
[0023]进一步地，所述匹配层的材料包括金属及其氧化物粉末
、
树脂混合物
。
[0024]进一步地，所述耦合剂包括环氧树脂
、
硅脂
、
硅胶
。
[0025]一种流量检测方法，所述方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，包括“M”形块体和压电陶瓷；“M”形块体的“M”形上端的两个倾斜面成“V”形，成“V”形的两个倾斜面构成了双向平面，即声波反射分流面；“M”形块体的“M”形两侧的两个倾斜面分别设置有声波吸收槽；“M”形块体底部中间设置有压电陶瓷安装槽，压电陶瓷水平放置在底部的压电陶瓷安装槽内，压电陶瓷对正两个声波反射分流面的中心；激励信号通过压电陶瓷上引线接入，压电陶瓷向上发射超声波，此时单向声波经过“M”形块体的双向平面按两个预设角度进入待测管道内部，或者压电陶瓷接收超声波，单向声波经过“M”形块体的双向平面后被压电陶瓷接收；压电陶瓷与压电陶瓷安装槽的上槽面之间设置有匹配层
。2.
根据权利要求1所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，所述“M”形块体的材料使用聚醚醚酮或者有机玻璃
。3.
根据权利要求2所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，所述“M”形块体采用
CNC
或浇筑成型方式进行加工
。4.
根据权利要求
1、2
或3所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，所述声波吸收槽由多个弧形并列组合构成
。5.
根据权利要求4所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，“M”形块体底部的两端分别设置有固定孔
。6.
根据权利要求5所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，压电陶瓷采用硅胶或其他胶类固定在压电陶瓷安装槽内
。7.
根据权利要求6所述的一种双向外夹式流量检测超声换能器，其特征在于，压电陶瓷与匹配层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智超，王雪松，马林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：