基于超声波反射信号的流速测量装置及测量方法与流程

本发明涉及基于超声波反射信号的流速测量装置及测量方法，属于流速测量领域。

背景技术：

实体模型水流中存在较多杂质，易阻塞毕托管进水管，同时会损坏HWFA敏感元件，因此，毕托管和HWFA一般不适用于实体模型试验。PIV和LDV均具有非接触式测量优点，PIV可进行速度场、浓度场、温度场等全场测量，LDV只能进行单点测量。PIV和LDV测量范围有限、布置繁琐、易受杂质干扰，难以在实体模型上大范围应用。微型旋桨流速仪和ADV常用于实体模型流速测量，微型旋桨流速仪操作简便、价格低廉，同时测量精度较高，但其属于接触式测量，对流态干扰较大，且存在测量盲区，流速大于起动流速旋桨才能转到进行测量，流速较小时测量误差大，该仪器无法测量流向。ADV测量精度高，可同时测量三维点流速和流向，由于超声波在空气和水流中传播速度不一致，必须将发射接收探头置于水面下才能进行准确测量，因此，对流态有一定干扰，而且其价格昂贵，难以大规模应用。因此，迫切需要同时兼顾测量精度及操作性的流速新方法。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于超声波反射信号的流速测量装置及测量方法，具有平面二维流速、测量盲区小等优点，同时，信号检测电路仅需要检测脉冲反射时间，信号处理电路简单，仪器成本相对于超声波多普勒测量仪大幅降低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于超声波反射信号的流速测量装置，包括测杆，所述测杆底端安装有具有超声波发射和接收功能的第一探头，在第一探头周围设有第一反射探头和第二反射探头，第一反射探头和第二反射探头通过连接杆与测杆连接，第一探头与信号处理单元连接。

作为优选，所述第一探头、第一反射探头和第二反射探头的下部均为圆柱切面，第一探头、第一反射探头和第二反射探头的圆柱切面位于同一水平面上。

作为优选，所述第一反射探头和第二反射探头距离第一探头的距离相同。

作为优选，所述测杆为空心圆柱，直径为6～8mm，材质为不锈钢材质。

一种上述的基于超声波反射信号的流速测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)将第一探头安装在测杆下方，第一反射探头和第二反射探头通过连接杆安装在测杆上，第一探头、第一反射探头和第二反射探头与信号处理单元信号连接，第一反射探头和第二反射探头与第一探头的距离为Δs；

2)采用烧杯盛一定容量待测水流，将测量装置置于静止水流中，获取超声波在水流中的传播速度；

其中Δt为第一探头发射到接收第一反射探头反射超声波所需时间；

3)将测量装置布置于流速待测点，信号处理单元检测第一探头发射超声波到接收第一反射探头反射超声波的时间为Δt₁，信号处理单元检测第一探头发射超声波到接收第二反射探头反射超声波的时间为Δt₂；v_x是水流流速沿X方向的流速、v_y是水流流速沿Y方向的流速，X方向为第一探头的中心指向第一反射探头的方向，Y方向为第一探头的中心指向第二反射探头的方向，X与Y方向的夹角为90°；

则对应测点流速为：

有益效果：本发明的基于超声波反射信号的流速测量装置，设计巧妙，在第一探头的周围设置具有反射超声波功能的第一反射探头和第二反射探头，将超声波反射给第一探头，信号处理单元仅仅处理脉冲反射时间，信号处理单元电路简单，成本低；本发明的测量方法，仅仅需要事先测量装置的距离，利用信号处理单元检测的时间，测量精度高，具有平面二维流速、测量盲区小等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为探头平面投影图。

图3为流速测量原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于超声波反射信号的流速测量装置，包括测杆2，所述测杆2为空心圆柱，直径为6～8mm，材质为不锈钢材质，所述测杆2底端安装有具有超声波发射和接收功能的第一探头4，在第一探头4周围设有第一反射探头3和第二反射探头5，第一反射探头3和第二反射探头5通过连接杆与测杆2连接，第一探头4与信号处理单元1连接，信号处理单元1包含超声波信号调理单元和信号检测及发射单元，信号检测及发射单元用于控制第一探头4发生超声波并开始计时以及第一探头4接收反射的超声波以及时间，经过超声波信号调理单元处理得到第一探头4发生超声波到接收超声波所需要的时间。

在本发明中，所述第一探头4、第一反射探头3和第二反射探头5的下部均为圆柱切面，第一探头4、第一反射探头3和第二反射探头5的圆柱切面位于同一水平面上，所述第一反射探头3和第二反射探头5距离第一探头4的距离相同，均为Δs。

一种上述的基于超声波反射信号的流速测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)将第一探头4安装在测杆2下方，第一反射探头3和第二反射探头5通过连接杆安装在测杆2上，第一探头4、第一反射探头3和第二反射探头5与信号处理单元1信号连接，第一反射探头3和第二反射探头5与第一探头4的距离为Δs；

2)采用烧杯盛一定容量待测水流，将测量装置置于静止水流中，获取超声波在水流中的传播速度；

其中Δt为第一探头4发射到接收第一反射探头3反射超声波所需时间；

3)将测量装置布置于流速待测点，信号处理单元1检测第一探头4发射超声波到接收第一反射探头3反射超声波的时间为Δt₁，信号处理单元1检测第一探头4发射超声波到接收第二反射探头5反射超声波的时间为Δt₂；v_x是水流流速沿X方向的流速、v_y是水流流速沿Y方向的流速，X方向为第一探头4的中心指向第一反射探头3的方向，Y方向为第一探头4的中心指向第二反射探头5的方向，如图2所示；

则对应测点流速为：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。