一种液体波导管、高温探头、超声多普勒测速仪的制作方法

本发明涉及高温流体速度场测量技术领域，尤其涉及一种液体波导管、高温探头、超声多普勒测速仪。

背景技术：

随着传统化石能源的不断消耗及环境污染问题的日益凸显，人类对新型、清洁、安全可靠的能源的需求越发迫切。目前，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性和可靠性，是目前iv代堆系统中首个有望实现商业应用的堆型之一。

在液态重金属反应堆的应用过程中，其速度场测量是稳态热工、瞬态事故安全分析及工程验证的重要参数之一，但由于液态金属(以下简称流体)具有非透明性、高温、强腐蚀性等特点，其速度场的测量一直以来都存在较大的难度。目前，通常是使用udv(ultrasonicdopplervelocimetry，即超声多普勒测速仪)对流体的速度场进行测量。

udv通常包括本体及udv探头，在使用时，可将udv探头直接插入流体中或与贴靠于流体的容器壁上，该udv探头可向流体中发射超声波信号，以与流体中的示踪粒子相撞击，进而反射回来，并通过该探头传输到本体中，本体通过分析发射超声波与反射超声波之间的多普勒频移即可获知流体中的速度场信息。

udv探头通常包括压电模块及波导管，压电模块用于产生、接收超声波信号，而波导管则用于对该压电模块进行隔热保护。目前所采用波导管主要包括：圆柱形金属杆波导管，但这种波导管的内部存在结构缺陷，其前后壁面、周壁会对超声波产生大量的反射、散射，以致形成大量的噪声，并最终造成超声混叠；经改进后的锯齿型波导管，可有效减少周壁反射造成的噪声，但是波导管内仍存在大量的散射噪声，且波导管的前壁(与流体相接触的壁面)仍会存在大量的反射噪声；圆锥形金属杆波导管，该波导管能够对超声波进行聚焦，提升侧向分辨率，但波导管内仍存在大量的散射噪声，前壁存在大量的反射噪声；细圆棒集束式波导管，其通过大量的细棒焊接于一起组成一个波导管，每根细棒的直径与超声波波长相接近，基本不存在散射损失，但其前壁仍存在大量的反射噪声；不锈钢箔卷制波导管，该不锈钢箔的厚度与超声波波长接近，波导管内也基本不存在散射损失，但是其前壁仍存在大量的反射噪声。

综合上述分析可知，现有的波导管在使用时，其内部总会存在一定量的反射、散射噪声，尤其是波导管与流体相接触的前壁，会形成大量的反射噪声，容易造成超声混叠，这就严重影响波导管内反射超声波频率的检测，从而极大地限制udv探头的测量精度。

应当理解，发射超声波及反射超声波均是沿波导管的轴向传播，其在波导管内的传播路径即为波导管本身的长度，而上述散射、反射等噪声的传播方向则通常与波导管轴向呈一定的夹角，使得上述噪声的传播路径要长于反射超声波的路径，即二者之间存在路径差。如此，压电模块在接收反射超声波信号及噪声时即会存在一定的时间差，噪声会存在一定的延时效果，该时间差越长，噪声的延时效果也就越好，越有利于获得纯粹的反射超声波信号。

基于此，现有技术中常用的过滤上述散射、反射等噪声的方法是延长波导管，以延长上述时间差，使得噪声的延时效果更为明显，从而提高反射超声波的信噪比。但是，波导管长度的延长，也会导致超声波信号的衰减，使得在对流体速度场进行测量时，测量深度受到了极大的限制。

因此，如何提供一种波导管，以有效降低反射噪声、散射噪声对超声信号的干扰，并保证流体速度场的测量深度，仍是本领域的技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液体波导管、高温探头、超声多普勒测速仪，该液体波导管可有效降低散射、反射噪声对超声信号的干扰，提高信噪比，并保证流体速度场的测量深度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种液体波导管，包括周向外壳及密封该周向外壳轴向两端的前壁、后壁，所述周向外壳与所述前壁、所述后壁围合形成腔体，所述腔体内部充满能够传输超声波的液体介质。

本发明所提供液体波导管，其用于传输超声波的介质为液体介质，而超声波在液体介质中的传播速度远低于其在不锈钢等固体介质中传播速度。较之现有技术，在反射超声波信号与噪声具有相同路径差(即波导管长度相同)的前提下，在液体波导管中传输时，接收装置接收到二者的时间差会加大，噪声的延时效果更为明显，更利于获得纯粹的反射超声波信号，以提高该反射超声波信号的信噪比。

相应地，在噪声延时相同时间的条件下，液体波导管的长度可以远低于现有技术中固体波导管的长度，如此，即可大幅减少超声信号在波导管中传输时的衰减，以较大程度地减少对流体速度场测量深度的影响。

可选地，所述周向外壳的内壁面设有吸声层。

可选地，所述液体介质为水、油或低熔点液态金属。

可选地，所述低熔点液态金属为熔点小于或等于60℃的金属或合金。

可选地，所述前壁、所述后壁的厚度为所述超声波的波长的二分之一的整数倍。

可选地，所述前壁的前壁面还设有与待测流体相匹配的润湿层，以使得所述超声波进入所述待测流体。

本发明还提供一种高温探头，包括波导管和用于产生所述待传输超声波的压电模块，所述压电模块与所述波导管的后壁相连；所述波导管为上述的液体波导管。

由于上述的液体波导管已具备如上的技术效果，那么，具备该液体波导管的高温探头亦当具备相类似的技术效果，故在此不做赘述。

可选地，所述压电模块与所述后壁之间还设有耦合层，以匹配所述压电模块与所述后壁的声阻。

可选地，所述压电模块包括依次相连的电极引线、电子单元和压电单元，所述压电单元通过所述耦合层与所述后壁相连；还包括保护壳，所述电极引线、所述电子单元及所述压电单元均设于所述保护壳内，所述保护壳外套于所述液体波导管的周向外壳。

本发明还提供一种超声多普勒测速仪，包括本体和高温探头，所述高温探头为上述的高温探头。

由于上述的高温探头已具备如上的技术效果，那么，具备该高温探头的超声多普勒测速仪亦当具备相类似的技术效果，故在此不做赘述。

附图说明

图1为本发明所提供液体波导管的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供高温探头的一种具体实施方式的结构示意图。

图1-2中的附图标记说明如下：

1液体波导管、11周向外壳、12前壁、13后壁、14液体介质、15吸声层；

2压电模块、21电极引线、22电子单元、23压电单元、24保护壳；

3耦合层。

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。

请参考图1，图1为本发明所提供液体波导管的一种具体实施方式的结构示意图。

如图1所示，本发明提供一种液体波导管1，包括周向外壳11及密封该周向外壳11轴向两端的前壁12、后壁13，该周向外壳11与前壁12、后壁13围合形成腔体，该腔体的内部充满能够传输超声波的液体介质14。

上述“充满”是指液体介质14已布满上述腔体，该腔体内不存在任何气泡，如此，可减少超声波在液体介质14中的反射、折射，从而可保证超声波顺利通过该液体介质14。

本发明所提供液体波导管1，其用于传输超声波的介质为液体介质14，而超声波在液体介质14中的传播速度远低于其在不锈钢等固体介质中传播速度。较之现有技术，在反射超声波信号与噪声具有相同路径差(即波导管长度相同)的前提下，在液体波导管1中传输时，接收装置接收到二者的时间差会加大，噪声的延时效果更为明显，更有利于获得纯粹的反射超声波信号，以提高该反射超声波信号的信噪比。

相应地，在噪声延时相同时间的条件下，液体波导管1的长度可以远低于现有技术中固体波导管的长度，如此，即可大幅减少超声信号在波导管中传输时的衰减，以较大程度地减少对流体速度场测量深度的影响。

例如，超声波在液体中的传播速度一般为1500m/s，而在不锈钢材料中的传播速度约为6000m/s，假设噪声的传播方向与波导管的轴向呈60度夹角，若反射超声波信号在波导管中传播路径100mm，则噪声的传播路径即为200mm。若二者均在不锈钢制波导管中进行传播，则噪声的延时时间为(200-100)×10^-3/6000＝16.7μs；若二者均在本发明所提供液体波导管1中传播，则噪声的延时时间为(200-100)×10^-3/1500＝66.7μs。比较可知，在液体波导管1中传播时，噪声的延时时间为在不锈钢制波导管传播时的4倍，可更大幅度地提高噪声的延时效果，进而提高反射超声波信号的信噪比。相应地，在实现噪声相同延时时间的条件下，本发明所提供液体波导管1的长度可以仅为现有技术中不锈钢制波导管长度的四分之一，从而可大幅减少超声信号的衰减，更有利于保证流体速度场的测量深度。

又由于液体波导管1在传播超声波时对噪声的延时效果更为明显，该液体波导管1在制造时也就无需设置特殊的外形，其周向外壳11的制造及获取更为容易。

在生产时，该周向外壳11可以为圆形管、方形管，也可以为锯齿管、锥形管或其他形式的管状结构，均可实现提高信噪比的技术效果。但比较而言，锯齿管能够减少超声信号传输过程中的反射、散射噪声，更有利于提高信噪比。

此外，上述液体波导管1可以为全分体式结构，在生产时，上述的周向外壳11、前壁12及后壁13可以分别单独制造，进而可采用焊接、粘结等方式密封于周向外壳11的轴向两端；也可以为部分分体式结构，在生产时，上述的周向外壳11可以与前壁12或后壁13为一体式结构，以形成一端开口的筒状结构，在该筒状结构中充满液体介质14之后，进而可采用焊接、粘结等方式封堵该开口，也可实现上述技术效果。

上述液体介质14除要求可以传输超声波之外，还要求其对超声波的衰减较小。

具体地，该液体介质14可以为水、油或低熔点液态金属，且该液体介质14中应尽可能减少固体杂质颗粒的含量，以减少超声波在液体介质14中散射、折射损失。由于水、油等为日常生活中的常见物品，获取更为容易，且无毒无害，在生产及使用过程中不易造成二次污染，为本发明实施例的优选方案。

上述低熔点液态金属是指常温下呈液态的金属，具体而言，是指熔点小于或等于60℃的低熔点金属或合金，尤其是指熔点小于或等于30℃的金属或合金，以保证不使用时该液体波导管1可以在常温下进行保存。更为具体地，该低熔点金属可以为汞、镓、镓铟锡合金、镓铋铝铁镁锡合金或其他金属合金等。

应当理解，除上述所列举的几种液态物质之外，该液体介质14也可以为其他液态物质，只要其可以用于传输超声波，且传输过程中超声波的衰减较小即可。

仍以图1为视角，上述周向外壳11的内壁面可以设有吸声层15，以吸收液体介质14中的反射、散射噪声，从而进一步地提高信噪比。应当知晓，发射超声波、反射超声波等主信号，其传播方向大致为波导管的轴向，故而，上述吸声层15不会对上述主信号进行吸收。

上述吸声层15具体可以是不锈钢纤维等多孔性吸声材料，也可以是柔性材料、膜状材料等共振型吸声材料。可以理解，无论是多孔性吸声材料还是共振型吸声材料，当其包裹于固体介质的外周时，其与固体介质之间会存在大量的气孔，进而对噪声形成反射，使得上述吸声材料不能顺利吸收噪声；而当其包裹于液体介质14的外周时，由于液体介质14具有流动性，液体介质14可容易地填充上述气孔，从而保证噪声可顺利进入上述吸声材料中并被吸收。

针对上述各方案，还可对该液体波导管1的前壁12、后壁13的结构进行进一步的限定。

该前壁12、后壁13的厚度均可以为超声波的波长的二分之一的整数倍，以保证超声波具有最佳的传输效率，进而减少超声波通过前壁12、后壁13时的衰减，更有利于保证流体速度场的测量深度。

上述前壁12的前壁面还可以设有润湿层(图中未示出)，该润湿层可以与待测流体的特性相匹配，以使得该液体波导管1的前壁12插入流体时，流体可较好地浸润该前壁12，从而减少流体与前壁12之间气泡产生的可能性，进而使得超声波可顺利进入待测流体。

针对不同待测流体的润湿特性，该润湿层所用材料也可作出相适应的调整。比如，若待测流体为铅铋合金，则该润湿层可以为镀于前壁12的镍或类金刚石涂层；若待测流体为铅锂合金，则该润湿层可以为镀于前壁12的钛；若待测流体为水，则该润湿层可以为塑料、环形树脂或不锈钢等多种材料。而无论采用何种润湿层材料，只要保证液体波导管1插入流体时，流体可对该润湿层形成良好浸润即可。

当然，本发明所提供液体波导管1也可以不设置上述润湿层，此时，可使用与该润湿层相同的材料制备上述前壁12，也可实现上述技术效果。

比较而言，润湿层单独设置时，对于制造液体波导管1的材料并无特殊的要求，液体波导管1的周向外壳11、前壁12及后壁13可直接使用不锈钢等材料制备，更便于该液体波导管1的批量生产，然后在使用时，可结合具体的检测环境，在该液体波导管1的前壁12涂覆相应的润湿层即可使用；而使用与润湿层相同的材料制备上述前壁12时，已制成的液体波导管1只能针对相应的流体进行检测，在检测时，则无需对该液体波导管1进行再加工，更便于快速测量。

请参考图2，图2为本发明所提供高温探头的一种具体实施方式的结构示意图。

如图2所示，本发明还提供一种高温探头，包括波导管和用于产生超声波的压电模块2，该波导管为上述的液体波导管1，压电模块2与液体波导管1的后壁13相连。

由于上述的液体波导管1已具备如上的技术效果，那么，具有该液体波导管1的高温探头亦当具备相类似的技术效果，故在此不做赘述。

该压电模块2与后壁13之间还可以设有耦合层3，以匹配压电模块2与后壁13的声阻，从而减少压电模块2所产生超声波在进入液体波导管1时的损失，更有利于保证流体速度场的测量深度。

实际上，上述耦合层3不仅可以起到匹配声阻的作用，同时，还可以实现压电模块2与后壁13之间的粘接固定，该耦合层3的材料可以具体为玻璃焊料、硅油等液体粘接剂，也可以为铋、铟、锡铅、铜、金等固体粘接剂，在具体使用时，本领域的技术人员可根据实际情况而选择相应的耦合层3材料。

上述压电模块2可以包括依次相连的电极引线21、电子单元22和压电单元23，该压电单元23可以通过耦合层3与后壁13相连。在使用时，该电极引线21可以与外接设备相连，然后外接设备则可对压电单元23施加脉冲电压，以使该压电单元23产生发射超声波。

上述压电模块2还可以包括保护壳24，电极引线21、电子单元22及压电单元23均可以设于保护壳24内，该保护壳24可以外套于液体波导管1的周向外壳11上。如此，该保护壳24可与液体波导管1的后壁13围合形成密封腔体，以避免外界环境对电极引线21、电子单元22及压电单元23等电子元件的干扰，更有利于延长上述电子元件的使用寿命。

需要说明的是，本发明所提供高温探头不仅可以用于测量高温流体的速度场，还可以应用于高温超声波成像、高温超声波流量测量的其他的高温环境中，而在不同的使用环境中，只需通过该电极引线21连接不同的外接设备即可。

本发明还提供一种超声多普勒测速仪，包括本体和高温探头，该高温探头为上述的高温探头。

由于上述的高温探头已具备如上的技术效果，那么，具有该高温探头的超声多普勒测速仪亦当具备相类似的技术效果，故在此不做赘述。

以上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。