[发明专利]气液两相流流量测量的双频超声波换能器

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及到一种气液两相流流量测量的双频超声波换能器。

背景技术

超声波不仅具有方向性好、穿透力大、能量较集中等优点，而且还在介质传播过程中会产生各种物理、化学、生物等效应，所以超声波越来越广泛地应用在医学、军事、工业、农业等领域，其中非接触式超声波流量测量是其典型应用。而当前，许多工业领域出现了气液两相流，如热电、核电的气化单元，天然气、石油的开采、输送；低沸点液体的输送……，对它们的研究引起了国内外的广泛关注，但由于两相流的复杂性、随机性，认识它们首先要解决流量的检测问题。多波超声脉冲法可有效的测量气液两相流中的气体和液体的流速，在气液两相流体流量测量的应用前景广阔。

由于气液两相流的复杂性，对其特性的研究进展缓慢，为了认识气液两相流，目前主要的方法有激光多普勒流速仪、粒子跟踪测量仪、超声波多普勒流量测量等。随着超声波传感器技术和信息获取技术的发展尤，气液流量两相流体的流速测量技术发展迅速。美国Polysonics公司已研制成功Hydra SX30和Hydra SX40双频超声波多普勒流量计并取得专利；仅几年日本在多频多普勒流量测量技术进展迅速，Hideki Murakawa et al.，Muramatsu et al.提出多波双频超声波多普勒流量测量的方法和试验装置；国内学者毕雪芹、倪原、王敏、亓月刚等也开展了双频多普勒流量计的研究工作，给出了其硬件、信号处理方法等。这其中，日本的研究人员在气液两相流中研究处于领先地位，Hideki Murakawa et al.提出了双频超声脉冲多普勒测量气液两相流测量方法，不仅能测量液体的剖面流速，还能监测到气泡的上升速度，在气液两相量测量中具有广阔的前景。从目前的文献，Hideki Murakawa给出了测量方法和试验装置，但没有给出双频超声波换能器的具体结构。

在国内，双频超声波换能器在超声波清洗、超声波萃取中的应用广泛，Lin在1995年对一种具有两组激励元件的夹心式复频超声换能器进行了研究，但给出的方法在决定换能器尺寸方面是比较困难的；毛汉领教授研究团队在复频超声波换能器研究方法成果卓著，专利号为ZL201010199344.1、名称为《复合多频两端螺纹辐射超声换能器》的中国专利和论文《两端辐射双频超声换能器设计方法》中公布了一种复合多频超声波换能器结构，并且其学生符家和的硕士学位论文详细给出了两端辐射双频超声换能器的研究方法，该换能器主要由左右两个辐射块、两组压电陶瓷晶片组、中间质量块、高强度预应力螺柱等构件组成，产生了适合清洗和萃取的两种频率25kHz和40kHz。但是，上述的夹心式复频超声波换能器不适合超声波多普勒流量中，一是结构不合适，二是工作频率不适合，三是设计方法复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、测量准确、操作方便的气液两相流流量测量的双频超声波换能器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：外壳底部开有圆孔，外壳内设置有声楔，声楔底部加工有与外壳底部圆孔相匹配的圆台，圆台插入到外壳圆孔内，声楔一侧面为斜面，斜面上设置有压电陶瓷环，压电陶瓷环内设置有压电陶瓷柱，压电陶瓷柱的谐振频率大于压电陶瓷环的谐振频率，压电陶瓷柱与压电陶瓷环之间设置有绝缘环，压电陶瓷柱和压电陶瓷环的阴极用第一导线相连，压电陶瓷柱的阳极上通过第二导线串联有第一电阻，压电陶瓷环的阳极上通过第三导线串联有第二电阻，第一导线和第二导线及第三导线与位于外壳上的BNC接头相连。

作为一种优选的技术方案，所述的声楔为具有透声性的有机玻璃。

作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷环的中心线与压电陶瓷柱的中心线重合并与声楔斜面垂直。

作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷环最低边距声楔8斜面最低端的距离s

式中l₁为声楔斜面最低端与圆台之间的距离，d为圆台的厚度，l为压电陶瓷环的外径，α为声楔斜面倾角。

作为一种优选的技术方案，所述的外壳上设置有紧固带。

作为一种优选的技术方案，所述压电陶瓷环的谐振频率为200K～3MHz。

作为一种优选的技术方案，所述的压电陶瓷柱的谐振频率为1M～10MHz。

作为一种优选的技术方案，所述的声楔斜面倾角α为45°。

本发明的有益效果如下：