详细介绍新型超声波多普勒流量计探头的设计
时间:2012-03-16 阅读:525
详细介绍新型超声波多普勒流量计探头的设计 |
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介绍顺仪仪表超声波流量计探头 摘要:介绍了一种新型的适于安装在管道上的外夹式超声波多普勒流量计探头。详细介绍了超声多普勒流量计传感器的原理、结构,各主要组成部件的材料、外形、功能及重要参数等,并阐述了探头的发射电路基本结构、原理图及仿真结果。经实践检验,该超声波换能器具有良好而稳定的性能,且有广泛的应用前景。 探头壳体用铝制成,上有凹面槽,便于用固定带外夹捆绑安装在管道外壁上。 压电换能器晶片采用性能优良的压电陶瓷材料PsnN-51。压电晶片为薄圆片型,沿厚度方向振动,产生的超声波为纵波。该压电陶瓷灵敏度和居里温度高、各种参数时间稳定性好,具有较高的介电常数和机电耦合系数,非常适用于高温高压环境下的超声多普勒流量测量。 探头中填充的背衬材料选用硅胶,为高阻抗、高衰减的吸声材料,可以吸收压电换能器晶片背面辐射的超声波并将其转换为热能,减小背面辐射产生的干扰。 匹配元件为电感,可以改善发射、接收电路与压电换能器晶片之间的机电耦合性能。 晶片前端有阻抗匹配层,厚度为1/4超声波波长,可以实现换能器晶片和声楔之间的声阻抗过渡,避免因阻抗的显著差异而降低界面透射系数,避免压电换能器晶片以高Q值振荡从而影响探头的发射接收性能。声楔的倾斜角度设计以及材料的选用是为了避免超声波在管道和流体中传播时产生较强的交混回响,并提高信号强度。这里选用聚醚酰亚胺(PEI),常温(20℃)下纵波传播的声速c为2424m/s。 3、多普勒探头发射电路设计及仿真 超声波发射电路的基本结构如图2所示。超声脉冲的发射是由压电换能器完成的,它的能量取自高压脉冲发生器所提供的高压电脉冲。在图2中,通过限流电阻R隔直流电容器CB被充电到VH,在常用的超声多普勒流量计中,VH电压在数十伏到几百伏范围内,R、CB时间常数由系统的zui大脉冲重复频率决定。开关S是一个快速的电子器件,当其激发时(接通),引起一次从隔直流电容器向换能器及其相连的电负载的电荷转移,此处的电负载是指电阻与调谐电感的组合。在实际应用中,发射电路与换能器之间有较长的一段有损耗的连接电缆,可用集中传输线来模拟电缆的影响。对大多数的应用来说,用一个LC网络代替就可以了。 |