在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的制作方法

本实用新型涉及声速测量技术领域，具体是一种在流动介质环境中实时测量静态声速的装置。

背景技术：

声波经常作为测量信号应用于流体计量仪表的设计中，这些仪表包括但不限于对流体介质的运动速度、距离、质量、体积和流量等物理量的测量，这些物理量的测量结果往往受介质温度、成分或者组份的影响，而静态流体介质中的声速与介质的成分和温度相关，对声速的准确测量可以用于感知介质温度和组份的变化。为了能够对上述物理量的测量结果进行补偿或者修正，对静态流体介质中的声速进行实时的快速准确测量是必要的。

在实时测量中经常遇到的困难是受测流体介质经常处于非静止状态，或者难以确保介质的全部或者局部处于完全静止中，而介质的流速会影响到声波的传播速度。

声波在处于静止状态的弹性介质中单位时间传播的距离称为介质的静态声速，简称声速，通常用c表示。以理想气体为例，介质的声速与介质的成分和温度有关。

图1示出了现有的一种测量静态声速的装置，在静止状态的介质中放置一声源10，在相距一定距离S的地方放置一声波接收器11，通过时间测量系统12准确测量声波从声源10到声波接收器11的传播时间t就可以用下面的公式(1)计算出声速：

图2是图1装置的改进，采用反射器13将声源10信号反射到接收器11。如果采用既可以做发射器，又能做接收器的声波换能器，系统可以进一步简化。反射器13既可以是平面，又可以是对声束进行会聚的曲面。

如果介质不是静止的，存在一个运动速度v，则介质的运动速度v和声波传播速度c就会叠加在一起，图1装置测得的声波传播时间：

图2装置测得的声波传播时间：

从公式(2)、(3)可知，在变量v未知且无法忽略的情况下，利用图1、图2两个装置均无法通过测量声波传播时间t得到准确的静态声速c。

声音在介质中的速度与介质的成分和温度有关，实时测量声速时需要对介质的组份和温度实时动态感知，声速测量区域必须和其外部测量空间的介质有动态交流，因此，将测量区域的介质隔离在一个不流动的密闭区间实现静态声速测量的方法在现场实时测量中是不现实的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种在流动介质环境中实时测量静态声速的装置，能够有效地排除介质运动速度对声波传播时间测量的影响，在现场流动介质环境中实现静态声速的准确快速实时测量。

本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：在流动介质环境中实时测量静态声速的装置，包括声波换能器、反射器和测量室，所述声波换能器和反射器设在测量室内，所述测量室上设有介质迟滞交流通道，所述介质迟滞交流通道既能够迟滞介质的运动速度，又允许介质通过。

本实用新型的技术方案还有：所述介质迟滞交流通道包括在测量室壁上设置的介质交流孔。

本实用新型的技术方案还有：所述介质迟滞交流通道包括迟滞层，所述迟滞层构成测量室的全部或部分室壁。

本实用新型的技术方案还有：所述介质迟滞交流通道包括介质交流孔和迟滞层，所述介质交流孔设在测量室壁上，所述迟滞层覆盖在全部或部分介质交流孔上。

本实用新型的技术方案还有：所述迟滞层的材料为多孔材料。

本实用新型的技术方案还有：所述迟滞层的材料为粉末冶金烧结材料。

本实用新型的技术方案还有：所述反射器为平面反射器或具有聚束功能的曲面反射器。

本实用新型的技术方案还有：所述曲面反射器为球面反射器或旋转抛物面反射器或椭球面反射器。

本实用新型的技术方案还有：所述反射器设有多个，所述声波换能器发出的声波信号经多个反射器依次反射后回到声波换能器。

相对于现有技术，本实用新型在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的有益效果为：介质能够通过介质迟滞交流通道进出测量室，使得测量室内外介质的成分和温度保持一致；介质迟滞交流通道能够极大地降低介质的运动速度，从而减小介质运动速度对声速测量结果的影响，声波通过反射器的反射可以进一步减小介质运动速度对声速测量结果的影响，从而精确地实时测量在流动介质环境中的静态声速。

附图说明

图1为现有的一种测量静态声速的装置的结构示意图。

图2为现有的另一种测量静态声速的装置的结构示意图。

图3为本实用新型在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的实施例一。

图4为本实用新型在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的实施例二。

图5为本实用新型在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的实施例三。

图中：1、声波换能器，2、测量室，3、平面反射器，4、介质交流孔，5、迟滞层，6、球面反射器，7、旋转抛物面反射器，8、平面反射器A，9、平面反射器B，10、声源，11、声波接收器，12、时间测量系统，13、反射器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面根据附图对本实用新型具体实施方式作进一步说明。

图3示出了本实用新型在流动介质环境中实时测量静态声速的装置的实施例一，如图3所示，在流动介质环境中实时测量静态声速的装置，包括声波换能器1、反射器和测量室2，声波换能器1和反射器设在测量室2内。声波换能器1能够实现电-声信号的转换，用于发射和接收声波信号。反射器为能够反射声波信号的平面反射器3，用于将声波换能器1发射的声波信号反射回声波换能器1。

测量室2上设有介质迟滞交流通道，介质迟滞交流通道包括介质交流孔4和迟滞层5。介质交流孔4设在测量室2壁上，介质交流孔4的数量和大小根据测量室)内外介质环境温度变化及运动速度的差异而设置。迟滞层5覆盖在介质交流孔4上，迟滞层5的材料根据介质的要求选择，可以是能让流体介质渗透通过的多孔材料，本实施例优选粉末冶金烧结材料，粉末冶金烧结材料为一种疏松多孔物质。介质迟滞交流通道能够迟滞介质的运动速度，又允许介质通过，因此，介质能够通过介质迟滞交流通道进出测量室2，使得测量室2内外介质的成分和温度保持一致，而且，介质迟滞交流通道能够极大的降低介质的运动速度，从而减小介质运动速度对声速测量结果的影响。

使用时，声波换能器1发出声波信号，经平面反射器3反射回声波换能器1，声波换能器1将其转换为电信号由时间测量系统处理，并计算出传播时间。声波换能器1与平面反射器3的距离为S，介质的运动速度为v，声波传播速度为c，则声波传播时间：

公式(3)可变形为：

经过介质迟滞通道的作用，介质的流动速度v要远小于声波的传播速度c，故有采用泰勒级数展开式，和可分别用几何级数和二项式级数展开。在x＜＜1时有：

则公式(4)简化为：

可见，即使进入测量室2的介质仍然存在一定的速度，经过平面反射器3的反射后也可以进一步降低其对声速测量结果的影响，公式7与静态声速公式1一致。

算法误差分析：以上算法误差是在介质运动速度v远低于介质中静态声速c的条件下，由公式(5)、(6)采用一级泰勒多项式近似引起的。忽略掉的高次余项引入的误差不高于其拉格朗日误差界(Lagrange Error Bound)。

以公式(5)几何级数为例，其拉格朗日误差界表示为：

其中M为函数的n+1阶导数f⁽ⁿ⁺¹⁾(z)的绝对值在0≤z≤x区间上的最大值。对于一级泰勒多项式近似n＝1。考虑到函数的二阶导数在0≤z≤x区间上，z＝x时有最大值。带入公式(8)得到公式(5)的拉格朗日误差界为

用同样的方法得到公式(6)的拉格朗日误差界为用公式(4)计算得到的时间的最大误差为：

利用公式(1)、(9)可以得到计算声速的最大误差：

以上误差计算为算法误差，可以用来评价时间测量的计量精度和系统实现的质量和水平。

以20℃时的空气为例，静态声速为c＝343米/秒，如果声波传播路径S＝0.2米，测量室2外介质的流动速度为10米/秒，经介质迟滞交流通道进入测量室2的介质运动速度将为低于v＝1米/秒，带入公式(9)、(10)得到时间和声速算法误差分别不高于：

声速算法的相对误差为：

可见采用本实施例的方法可以有效地排除介质流动速度对静态声速测量的影响，将算法引入的误差降到很低，有助于得到高质量的测量结果。

图4示出了本实用新型的实施例二，不同于实施例一，为了使被反射的声波的信号幅度更强，在本实施例中将平面反射器3替换为具有聚束功能的球面反射器6，声波换能器1的发射前表面位于球面反射器6的焦点位置。

图5示出了本实用新型的实施例三，如图所示，在流动介质环境中实时测量静态声速的装置，包括声波换能器1、反射器和测量室2，声波换能器1和反射器设在测量室2内。声波换能器1能够实现电-声信号的转换，用于发射和接收声波信号。

反射器能够反射声波信号，包括旋转抛物面反射器7、平面反射器A8和平面反射器B9，旋转抛物面反射器7具有聚束功能，声波换能器1的发射前表面位于旋转抛物面反射器7的焦点位置。

测量室2上设有介质迟滞交流通道，介质迟滞交流通道包括介质交流孔4和迟滞层5。介质交流孔4设在测量室2壁上，介质交流孔4的数量和大小根据测量室2内外介质环境温度变化及运动速度的差异而设置。迟滞层5覆盖在介质交流孔4上，迟滞层5的材料根据介质的要求选择，可以是能让流体介质渗透通过的多孔材料，本实施例优选粉末冶金烧结材料。介质迟滞交流通道能够迟滞介质的运动速度，又允许介质通过，因此，介质能够通过介质迟滞交流通道进出测量室2，使得测量室2内外介质的成分和温度保持一致，而且，介质迟滞交流通道能够极大的降低介质的运动速度，从而减小介质运动速度对声速测量结果的影响。

使用时，声波换能器1发射的近似球面波信号经旋转抛物面反射器7转换成接近平面波信号的反射信号，经平面反射器A8反射到平面反射器B9，再经平面反射器B9和平面反射器A8反射回旋转抛物面反射器7，旋转抛物面反射器7将平面波转换为球面波信号并反射回声波换能器1，声波换能器1将其转换为电信号由时间测量系统处理，并计算传播时间。声波信号传播路径分为三段，声波换能器1至旋转抛物面反射器7的声波信号传播路径的长度S1，此段介质的微小运动速度为V1；旋转抛物面反射器7至平面反射器A8的声波信号传播路径的长度为S2，此段介质的微小运动速度为V2；平面反射器A8至平面反射器B9的声波信号传播路径的长度为S3，此段介质的微小运动速度为V3。静态声波传播速度为c，则声波传播时间：

公式(11)可变形为：

经过介质迟滞通道的作用，V1＜＜C、V2＜＜C和V3＜＜C，利用公式(5)、(6)，公式(9)进一步简化为：

计算时间和声速算法误差的公式(9)、(10)同样适用于多次反射的测量装置和方法，平面反射器和有聚束功能的曲面反射器都同样适应。

可见，对于本实施例这种多个反射器的测量装置，即使声波传播路径上的介质有不同的微小运动速度，经过反射器的反射后可以进一步降低其对声速测量结果的影响，公式(13)与静态声速公式(1)一致。

上面结合附图对本实用新型的实施例做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。