一种测量超声波传播时间的装置

　　0 引言

　　目前工业现场采用的压力测量方法均是有损测量法,如弹性式压力测量法等,此类仪表在进行压力测量时必须在压力容器上钻出引压孔,这对压力容器本身造成了损害,并使压力容器承受压力的能力大为下降。因此在一些不适合开孔的场合开发一种无需引压孔,同时又不会对容器造成损害的无损压力测量技术具有十分重要的意义。

　　目前工业现场还没有可实际使用的无损测压方法。针对这一情况,文献[1]提出了基于超声Rayleigh波的容器压力无损测量方法。由于Rayleigh波是表面波,测量时发射和接收探头可以安装在容器的外表面而无需钻引压孔,因而不会对容器造成损害。采用Rayleigh波测量容器压力的根本思想是当容器承受压力后,容器壁会发生形变并产生相应的应力,形变使Rayleigh波传播的距离发生变化,应力会改变Rayleigh波的传播速度,在应变和应力共同作用下,Rayleigh波的传播时间发生了变化。根据文献[1],在容器材料的弹性限度内,Rayleigh波传播时间变化量与容器内的压力变化成线性关系,因此通过测量Rayleigh波传播时间的变化量就可以求出容器内部压力的变化。

　　就一般的压力容器而言,单位压力引起的压力容器壁形变量和应力引起的超声波波速变化都非常小,因而单位压力变化引起的超声波传播时间的变化量也非常小。就通常的中低压压力容器而言,每兆帕压力变化引起的超声波传播时间变化量只有总传播时间的万分之几。由于设备尺寸以及装置的能量问题,超声波传播距离受到了限制,测量时总的传播时间不可能设置得很大,因此该方法对时间测量的精度要求相当高。针对这一要求,本文采用回振法,也就是通过循环计时再求平均值的方法,使对超声波传播时间的测量达到了0.5ns的分辨率。

　　1 测量原理

　　图1是测量超声波传播时间的原理示意图,图中的曲线是时序信号。其中曲线1表示不同时刻的超声波信号。设定合适的比较电位,通过电压比较可以由超声波信号得到对应的阶跃信号,这些阶跃信号在电路中是作为测量的时间基准使用的,图中的A点表示测量起始时刻,B点表示测量结束时刻。曲线2表示计数器的使能信号,当该信号为高电平时计数器工作在计数状态,若该信号为低电平则计数器停止计数。

　　曲线3表示由有源晶振输出的周期性脉冲信号,是作为时钟脉冲信号的。在起始时刻A,接收电路接收到一个超声波信号并形成相应的阶跃信号,该阶跃信号触发发射电路发射出一个超声波信号,这个信号在被测媒介中向接收探头传播。在阶跃信号触发发射电路发射超声波的同一时刻,计数使能信号被触发到允许状态,计时器开始对时钟脉冲进行计数。此次发射的超声波信号最终传播到接收探头处并被接收电路接收,在形成对应阶跃信号的B时刻,计数使能信号再次翻转,计数器停止计数。这期间,计数器记录的时钟脉冲信号总个数就对应于A时刻到B时刻的时间,也就是从发射电路发射超声波到发射的超声波信号被接收电路接收到所需的时间。假设在测量开始后,当接收电路接收到第N个超声波信号时才停止计时,且期间计数器计数的时钟脉冲数为n,时钟脉冲频率为f,那么超声波信号传播一次的时间平均值即为: