[發明專利]小管徑氣體聲速測量的測試裝置及其測試方法

有效

• 申請號: 201410174945.5
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103994813A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 劉鐵軍;周民
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01H5/00
• 分類號: G01H5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

技術領域

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

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。

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

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。

本發明所采用的技術方案是：

一、一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置：

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、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；

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；

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。

所述的溫度傳感器為PT100溫度傳感器。

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。

二、一種小管徑氣體聲速測量的測試裝置的測試方法：

1)在超聲波換能器的工作溫度范圍內，每間隔0.5℃建立一個測試點；

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；

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和超聲波接收換能器；

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1計算得到該種氣體介質的聲速v：

t＝ψ/(2πf)

v＝d/t