一种超声多普勒测速装置的制作方法

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种超声多普勒测速装置。

背景技术：

能源与环境已成为影响人类社会进步和发展的重大问题之一，随着环境污染问题日益凸显，及人类对能源需求的不断提高，这需要寻找新型、清洁、安全可靠的能源来代替已有的化石能源。目前，在世界上已被公认的可大规模应用的能源是核能，其中液态重金属反应堆因其固有的安全可靠性，是目前公认的iv代堆系统中首个有望实现商业应用的堆型之一。

热工水力学研究是液态重金属反应堆的重要研究部分之一，是稳态热工与瞬态事故安全分析及工程验证的研究基础，而速度场测量是热工水力学研究中的一个非常重要的物理量。由于液态金属的非透明性、高温、强腐蚀等特性，发展了很多用于液态金属环境下的速度场测量方法，其中udv(ultrasounddopperveocimetry超声多普勒测速)已被证明了是一种最好的方法之一。

目前，为开展多维速度场测量，takeda等人在半球形装置的外侧布置了一圈udv探头，每个探头完成一条测量线方向上速度测量，每两条测量线交点的速度能够进行合成，所有交点的速度矢量图构成了该平面上的二维速度场。为了得到平面内的二维速度场，该方法需要大量的单个探头。另外，瑞士的lemmin等人提出了一种常束宽探头(聚焦探头)，通过与其他三个普通超声波探头的组合，能够实现测量线上的三维速度场测量，但是其测量范围有限，难以实现较大区域的测量。

鉴于上述测速装置存在的缺陷，亟待提供一种有助于实现容器内流体大区域速度场的测量，且测量过程中所需探头较少的超声多普勒测速装置。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种超声多普勒测速装置，用于测量容器内流体的速度场；所述容器外壁设置有至少两个容腔，所述超声多普勒测速装置包括至少两个探测组件，所述探测组件包括设置于对应所述容腔内的探头，及驱动对应所述探头运动的驱动部件；

各所述探头运动过程中，能够测量流体位于所述探头测量线上各点的速度。

其中，探头的测量线指的是探头的轴线方向所指的方向，即其发出的超声波的传播方向。因此，某一探头运动过程中，具有若干测量线，能够测得各测量线上流体的速度。同时，由于该超声多普勒测速装置包括若干上述探测组件，且每一个探测组件的探头均能够测量若干测量线上流体的速度。

因此，通过设置若干能够运动的探头，可得到容器内流体的速度，且通过合理设置探头的位置和方向，有助于实现容器大区域内流体速度场的测量。同时，本发明中的超声多普勒测速装置与现有技术相比，采用较少的探头即可实现容器内流体速度场的测量。

可选地，所述容器外壁设置有两个所述容腔，分别为第一容腔和第二容腔，所述超声多普勒测速装置包括两个所述探测组件，分别为第一探测组件和第二探测组件，且所述第一探测组件中第一探头的测量线与所述第二探测组件中第二探头的测量线相交，形成预定平面，以便测量流体在所述预定平面内各点的二维速度场。

可选地，所述容器外壁还设置有第三容腔，所述超声多普勒测速装置还包括第三探测组件，所述第三探测组件的第三探头能够在对应所述驱动部件的驱动下运动，且在运动过程中，各测量线形成所述第三探头的测量平面，所述测量平面与所述预定平面相交于预定交线，以便测量流体在所述预定交线上各点的三维速度场。

可选地，所述驱动部件包括旋转轴及驱动所述旋转轴转动的动力部，以使所述第一探头和所述第二探头在所述预定平面内转动，所述第三探头在所述测量平面内转动。

可选地，所述容腔与对应所述探头测量端接触的底壁为弧形底壁，所述探头转动过程中，所述测量端能够沿所述弧形底壁运动。

可选地，所述驱动部件还包括用于支撑所述探头的安装架，所述旋转轴固定于所述安装架，并带动所述安装架转动；

所述安装架与对应的所述探头通过直线导向部连接，以使所述探头能够在所述直线导向部的作用下相对于所述安装架、沿所述探头的轴向直线运动。

可选地，所述安装架内部中空，且其沿对应所述探头轴向的两端开设有用于所述探头穿过、并能够在其中滑动的导向孔；

所述安装架内腔沿所述探头的轴向设置有处于压缩状态的弹簧，所述弹簧与所述导向孔为所述直线导向部。

可选地，所述驱动部件进一步包括控制部，所述控制部能够预存对应所述探头的旋转参数作为控制信号，并将所述控制信号传递至所述动力部以控制其动作。

可选地，所述第一探头与所述第二探头在对应所述控制部的控制下间歇转动，且一者处于转动状态时，另一者停止转动处于测量状态。

可选地，所述容器外壁面的预定位置内凹形成所述容腔的容腔底壁，所述容腔底壁与对应所述探头的测量端接触，各所述容腔内容置有耦合剂。

可选地，所述耦合剂为水、耐高温油脂或液态金属等物质；

当待测流体处于高温环境时，所述耦合剂为低氧化性的液态金属，且其熔点低于待测流体的温度。

可选地，所述容器为竖直放置的圆柱形桶体，所述桶体外壁沿同一直径的两端分别设置有所述第一容腔和所述第二容腔，且所述第一容腔和所述第二容腔的高度与所述桶体内待测流体的流体液位平齐，所述预定平面为桶体的经过其轴线的纵截面；

所述桶体外壁上与所述预定平面异面的任意位置设置有所述第三容腔。

可选地，所述容器为卧式圆柱形桶体，所述桶体的上侧壁开设有所述第一容腔和所述第二容腔，且二者的连线沿所述桶体的轴线方向，所述预定平面为桶体经过其轴线的纵截面；

所述桶体外壁上与所述预定平面异面的任意位置设置有所述第三容腔。

附图说明

图1为本发明所提供超声多普勒测速装置测量立式圆柱形桶体内流体速度场的结构示意图；

图2为本发明所提供超声多普勒测速装置测量卧式圆柱形桶体内流体速度场的结构示意图；

图3为图1中超声多普勒测速装置的测速原理图；

图4为图1和图2中探测组件的结构示意图。

图1-4中：

1容器、11第一容腔、12第二容腔；

21第一探测组件、22第二探测组件、23动力部、24控制部、25旋转轴、26安装架、261紧固螺钉、27弹簧、28超声多普勒探测仪、281第一探头、282第二探头、283第三探头、29耦合剂；

m流体液位、a桶体轴线。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考附图1-4，其中，图1为本发明所提供超声多普勒测速装置测量立式圆柱形桶体内流体速度场的结构示意图；图2为本发明所提供超声多普勒测速装置测量卧式圆柱形桶体内流体速度场的结构示意图；图3为图1中超声多普勒测速装置的测速原理图；图4为图1和图2中探测组件的结构示意图。

在一种具体实施例中，本发明提供一种超声多普勒测速装置，用于测量容器1内流体的速度场，该容器1外壁设置有至少两个容腔，同时，该超声多普勒测速装置包括至少两个探测组件，各探测组件包括容置于对应容腔内的探头，该探头为超声多普勒探测仪28的探头，其测速原理为：当容器内流体与探头存在相对运动时，探头所发出超声波的反射信号将产生相应的多普勒频偏，根据该多普勒频偏的大小，可测出流体对探头的相对速度，从而测得容器内流体的速度。

同时，上述各探测组件还包括驱动对应的探头运动的驱动部件，且各探头运动过程中，能够测量流体位于该探头测量线上各点的速度。

其中，探头的测量线指的是探头的轴线方向所指的方向，即其发出的超声波的传播方向。因此，某一探头运动过程中，具有若干测量线，能够测得各测量线上流体的速度。同时，由于该超声多普勒测速装置包括若干上述探测组件，且每一个探测组件的探头均能够测量若干测量线上流体的速度。

因此，本实施例中，通过设置若干能够运动的探头，可得到容器1内流体的速度，且通过合理设置探头的位置和方向，有助于实现容器1大区域内流体速度场的测量。同时，本实施例中的超声多普勒测速装置与现有技术相比，采用较少的探头即可实现容器1内流体速度场的测量。

具体地，如图1和图2所示，该容器1外壁设置有两个容腔，分别为第一容腔11和第二容腔12，相应地，该超声多普勒测速装置包括两个探测组件，分别为第一探测组件21和第二探测组件22，且第一探测组件21的第一探头281在第一驱动部件的驱动下运动，第二探测组件22的第二探头282在第二驱动部件的驱动下运动，且两探头运动过程中，第一探头281的测量线与第二探头282的测量线始终在上述预定平面内相交，以便测得该预定平面内流体的二维速度场。

第一探头281与第二探头282在预定平面内运动的过程中，二者的测量线相交形成上述预定平面内的大量网点，且第一探头281与第二探头282均可测得该网点的速度，因此，本实施例中的设置方式能够得到预定平面内各网点的二维速度，集成预定平面内各网点的二维速度即可得到该预定平面内流体的二维速度场。另外，本领域技术人员能够理解，第一探头281与第二探头282测量线相交的交点越多，预定平面内流体的二维速度场越精确。

如此设置，本实施例中，由于相交的两直线能够确定一个平面，因此，通过设置两测量线相交的探头即可实现预定平面内流体二维速度场的测量，测量过程中所采用的探头更少。

进一步地，容器1外壁还设置有第三容腔，相应地，该超声多普勒测速装置还包括第三探测组件，第三探测组件的第三探头283能够在对应的第三驱动部件的驱动下运动，且第三探头283运动过程中，其各测量线形成第三探头283的测量平面，该测量平面与上述预定平面相交，二者的交线定义为预定交线，因此，该超声多普勒测速装置能够测量容器1内预定交线上各点流体的三维速度场。

如上所述，第三探头283运动过程中，该预定交线上的各点均为三个探头测量线的交点，因此，本实施例中，通过设置三个运动的探头，能够测量容器1内该预定交线上各点的三维速度场。同时，通过改变三个探头的相对位置，即可根据需要测量特定位置的三维速度场，设置方式为：三个探头中，两个探头的测量线共面相交，第三个探头的测量线与上述两探头的测量线所确定的平面异面相交。

因此，本实施例中，通过设置三个探测组件即可实现预定交线上流体的三维速度场的测量，同时，通过改变三个探测组件的位置，即可得到容器1内各点流体的三维速度场，且测量过程中所采用的探头较少。

另一方面，如图4所示，上述三个探测组件的驱动部件均包括旋转轴25及驱动该旋转轴25转动的动力部23，以便第一探头281和第二探头282在上述预定平面内转动，第三探头283在其测量平面(第三探头283测量线所在的平面)内转动。

如此设置，上述各实施例中各探头的运动为由转轴25和动力部23控制的转动。当然，上述驱动部件也可为直线运动驱动部件，例如，探头可在直线马达等直线驱动部件的驱动下直线运动。但是，本实施例中通过转轴25和动力部23驱动探头转动的方式占用空间较小，且探头转动过程中，其测量线所经过的面积较大，因此有助于实现大区域流体速度场的测量。

基于此，如图1和图2所示，上述各容腔与对应探头的测量端接触的底壁为弧形结构，以使探头转动过程中，其测量端沿该弧形底壁运动。

当然，上述容腔的底壁并不是必须为弧形结构，也可为本领域的其它形状，例如直线型等，但是，当底壁为弧形时，有利于保证探头在转动过程中始终与该底壁接触，更重要的是，有利于实现探头的步进转动，从而提高测量精度。同时，当该弧形底壁为探头转动轨迹上的一段弧，且探头的旋转中心在弧形底壁的圆心处时，能够保证探头旋转过程中始终与弧形底壁接触。

进一步地，如图4所示，上述各驱动部件还包括用于支撑探头的安装架26，旋转轴25固定于该安装架26，并带动安装架26转动，进而带动探头转动。同时，该安装架26设置有直线导向部，探头通过该直线导向部与安装架26连接，且该探头能够在该直线导向部的作用下相对于安装架26沿其轴向直线运动。

如上所述，当容腔的弧形底壁为探头转动轨迹上的一段弧，且探头的旋转中心在弧形底壁的圆心处时，能够保证探头旋转过程中始终与该弧形底壁接触，但是，该方案对容腔弧形底壁的形状精度要求较高，因此，加工难度较大。而当探头能够在安装架26内沿其轴向直线运动时，即使容腔弧形底壁的形状和尺寸存在误差，探头也能够在直线导向部的驱动下沿其轴向直线运动，从而使其测量端始终与弧形底壁接触，保证该超声多普勒测速装置正常工作，同时降低容腔加工难度。

具体地，如图4所示，该安装架26内部中空，且其沿探头轴向的两端开设有用于探头穿过并能够在其中滑动的导向孔，同时，该安装架26的内腔沿探头轴向还设置有处于压缩状态的弹簧27，该弹簧27与导向孔为上述直线导向部。

上述弹簧27的压缩方向为探头的轴线方向，因此，其回弹力方向也沿探头轴向。探头转动过程中，其测量端抵接于容腔底壁，且在压缩状态的弹簧27回弹力的作用下，无论容腔底壁的形状是否为精确的圆弧形，探头的测量端均能够抵接于容腔底壁。

进一步地，如图4所示，上述各驱动部件还包括控制部24，该控制部24能够预存对应探头的旋转角度、旋转速度和旋转时间等旋转参数作为控制信号，并将该控制信号传递至对应的动力部23以控制其动作。

上述动力部23可为步进电机，控制部24发出的控制信号控制该步进电机，使该步进电机输出轴以预定速度转过预定角度，从而使对应的探头在预定时间内转过预定角度。同时，通过改变控制部24所预存的控制信号的值来改变探头每次转动所转过的角度，从而改变探头测量线的密度和整个测量过程所需要的时间。

更进一步地，当该超声多普勒测速装置用于测量预定平面内各点的二维速度场，即第一探测组件21与第二探测组件22工作时，对应的控制部24控制第一探头281的旋转时间与第二探头282的测量时间相等，同时，还控制两探头中的一者处于旋转状态时，另一者处于测量状态。

其中，上述测量时间指的是探头处于测量状态的时间，此时，该探头发出超声波，测量对应测量线上各点的速度；转动时间指的是探头处于转动状态的时间，此时，该探头在驱动部件的驱动下转动，以改变测量位置。

因此，本实施例中，当测量二维速度场时，第一探头281与第二探头282间歇性转动，当第一探头281转动(改变测量位置)时，第二探头282正在测量(停止转动状态)，当第二探头282完成测量开始转动时，第一探头281转动至指定位置开始测量。此时，两探头的测量方式使得整个二维速度场测量过程中所需的时间较少。

以上各实施例中，如图1和图2所示，容器1外壁面的预定位置内凹形成上述容腔的底壁，即该容腔底壁与容器1一体成型，如上所述，容腔的底壁指的是探头测量端与容腔接触的壁面。同时，该容腔底壁还连接有挡板，以形成上述容腔，各容腔内容置有耦合剂29。

耦合剂的目的是排除探头与被测物体之间的空气，从而使超声波能够有效穿入工件以实现检测的目的。因此，本实施例中，探头与容器1外壁通过耦合剂耦合，以实现流体速度检测。

具体地，上述耦合剂29可为水、耐高温油脂或液态金属等物质。当被测流体处于高温环境时，采用高温油脂或液态金属作为耦合剂，其中液态金属的选择需要尽量满足：液态金属应为低熔点或者熔点低于被测流体温度的物质，且在高温环境下氧化程度比较低，同时满足上述两要求才能作为高温环境下的耦合剂，如金属汞、锡铅、镓铟锡合金等。

因此，本实施例中的超声多普勒测速装置还能够用于高温环境流体温度的测量，即能够用于核能领域液态重金属反应堆中高温流体的流速测量。

图1所示的实施例中，容置被测流体的容器1为竖直放置的圆柱形桶体。桶体相对于其轴线对称的外壁分别设置有上述第一容腔11和第二容腔12，即两容腔位于圆柱形桶体同一直径的两端，同时，两容腔的高度与桶体内被测流体的流体液位m平齐，因此，检测区域位于流体液位m下方。第一容腔11内设置有第一探测组件21，第二容腔12内设置有第二探测组件22。

显然，上述预定平面为桶体的经过其轴线的纵截面，第一探测组件21与第二探测组件22测量该预定平面内各点流体的二维速度场。其中，桶体的纵截面为平行于桶体轴线的截面。

同时，桶体外壁上与该预定平面异面的任意位置设置有上述第三容腔，该第三容腔内设置第三探测组件，以便测试预定交线上各点的三维速度场。

图3所示的实施例中，当上述三探测组件之间相互成90°时，预定交线为该圆柱形桶体的桶体轴线a，因此，图3中的设置方式能够得到桶体轴线上各点流体的三维速度场，且其合成原理与三维空间坐标系的合成原理相同。

图2所示的实施例中，容置被测流体的容器1为卧式圆柱形桶体，基于图2所示的方位，桶体的上侧壁开设有上述第一容腔11和第二容腔12，且二者的连线沿桶体轴线方向。同时，第一容腔11内设置有第一探测组件21，第二容腔12内设置有第二探测组件22。

显然，上述预定平面为桶体的通过其轴线的纵截面，第一探测组件21与第二探测组件22测量该预定平面内各点流体的二维速度场。

同时，桶体外壁上与该预定平面异面的任意位置设置有第三容腔，该第三容腔内设置第三探测组件，以便测试预定交线上各点的三维速度场。

以上对本发明所提供的一种超声多普勒测速装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。