本实用新型专利技术公开了一种基于超声波的无线插入式温度测量装置，包括温度传感模块、电路实现模块、算法控制模块以及无线通信模块。所述温度传感模块由压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆三部分组成，所述换能器用于实现声电的互相转换，所述绝热片对换能器起着隔热保护作用，所述超声波传播导杆用于实现温度测量的转换，在测量过程中插入到钢水中一定深度感知钢水温度。所述电路实现模块由放大滤波电路、A/D转换电路、D/A转换电路、状态选择电路、D/A转换电路和功率放大电路组成。所述算法控制模块由FPGA和CPU组成。所述无线通信模块为信号发射和接收的集成电路。本设计结构简单，实用性强，测量精度高，响应速度快，适用于温度精确控制系统。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于精密传感器和检测
，具体涉及一种用超声波技术测量温度的装置。
技术介绍
在钢水的冶炼、精炼以及浇铸等过程中，温度始终是一最重要的参数。例如在浇铸过程中，钢水从坩祸中注入模具前的温度对铸件的力学性能(持久性、瞬时性、机械强度等)和金相组织起决定性作用。目前，对钢水的温度测量主流是采用一次性快速热电偶。一次性快速热电偶的测量原理是利用热电效应，响应速度需五秒左右，属于间断性测量，实时性差存在滞后性，易受电磁干扰，热电偶的偶头属于一次性消耗，每次测量都需要更换偶头，使得测量操作不方便，更是会对钢水引入杂质。另外，测量过程中，工人受到的高温辐射强度大，有时需多次测量才能得到测量结果，可靠性比较差，为了提高测量结果的有效性，需要采用多层保护管等复杂的结构，误差一般保持在±3-5°C。高温钢水温度的测量环境恶劣，测量装置需要同时满足耐高温、抗热震、抗冲刷，高温化学性能稳定，高温抗折、抗拉性能优良等，同时满足这样需求的材料少，且大都不适合制成热电偶或者价格高昂不利于推广使用。鉴于以上事实，热电偶测量法不能满足现代工业新技术对温度监测的迅速、准确、连续等要求，不利于实现温度的小范围自动控制。因此，研发一种反应速度快、结果准确度高、实时连续性好的钢水温度在线检测装置具有重大的意义。
技术实现思路
本技术的目的在于克服当前钢水温度测量技术难题，针对以上问题提供一种基于超声波的无线插入式钢水温度测量装置。本技术利用超声波在介质中的传播方向性好、能够定向传播、传播时遇到分界面就会有显著的反射的特性，设计本装置，其反应速度快、结果准确度高、实时连续性好，使用方便、测量精度高达0.1°C、可实时连续测量，可节省大量人力物力。本技术包含温度传感模块、电路实现模块、算法控制模块以及无线通信接模块四部分组成，四个模块依次连接。温度传感模块，用于以超声波为中间变量对温度感知并输出电信号从而实现温度的采集。其包括压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆，所述绝热片安装在电式超声波换能器和超声波传播导杆之间，由一个套筒外加固定三者的相对位置。电式超声波换能器与电路实现模块通过信号线连接。超声波换能器用于产生超声波信号和接收反射回来的超声波信号，是声电信号互相转换的实现部件。超声波换能器有发射和接收两种工作状态，处于发射工作状态时将电信号转换为超声波信号，处于接收工作状态时将超声波信号转换为电信号。所述导杆是超声波的传播介质途径，每次测量超声波在所述导杆中传播一个来回，导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的特殊材料，如二硼化锆、二硼化钛等。另外，所述导杆需要经过特殊处理达到不沾钢水的功效，实现多次连续使用测量钢水温度的目的。所述导杆是本设计的核心，是实现温度转换测量的关键。当钢水温度改变时，超声波在所述导杆中的传播速度会对应的发生改变，而导杆的尺寸固定，超声波传播到导杆与钢水的分界面就会反射，那么测得超声波在导杆中一个来回的传播时间，就可以计算出传播速度，进而计算出对应的钢水温度值。所述绝热片是由绝热性能良好的材料制成，安装在换能器和导杆之间，用于隔绝高温从而保护换能器不被高温所损坏。超声波传播经过所述绝热片时，会在所述绝热片和导杆交界面反射形成一个回波，但绝热片厚度小，这段波的传播时间远远小于导杆与钢水交界反射波的传播时间，容易识别并排除干扰。电路实现模块用于实现模拟信号与数字信号的互相转换和对信号放大与滤波的功能，包括状态选择电路、数字模拟信号转换电路D/A、功率放大电路、模拟数字信号转换电路A/D和放大滤波电路，所述电路实现模块与算法控制模块通过电信号连接。状态选择电路在FPGA的控制下完成对超声波换能器的发射与接收两种工作状态的切换。数字模拟信号转换电路D/A的功能是把FPGA发出的数字正弦信号转换成模拟正弦信号，该信号经功率放大电路放大后用于驱动换能器发生机械振动进而产生超声波信号。功率放大电路的功效是，赋予模拟正弦信号足够的能量来驱动超声波换能器产生满足要求的超声波。放大滤波电路的作用在于对微弱的回波电信号进行放大和过滤，便于后续工作的实现。模拟数字信号转换电路A/D的功能是数据采集，将模拟回波电信号标准化为数字电信号。算法控制模块，包括现场可编程门列阵FPGA和中央处理单元CPU，用于对整个温度测量过程的时序控制和通过细分查补算法实现温度测量；算法控制模块与无线通信模块通过电信号连接。所述现场可编程门列阵FPGA通过控制状态选择电路来实现换能器工作状态的切换；所述现场可编程门列阵FPGA生成发射超声波的控制信号，发出数字正弦信号，控制时序同步，并内建存储区快速存储高速A/D输出的数据；所述CPU发出测量开始指令，并读取所述FPGA内建存储区的数据，通过细分查补算法计算出温度值，实现分辨率为0.1°C的温度测量。无线通信模块，包括发射和接收的集成电路，是一个集信号发射功能和信号接收功能于一体的无线接口装置，用于数据和信号传输以实现控制和人机交互。进一步，在所述电路实现模块中，数字模拟转换电路D/A与状态选择电路和现场可编程门列阵FPGA以及功率放大电路连接，功率放大电路与数字模拟信号转换电路D/A和所述压电式超声波换能器连接，所述压电式超声波换能器还与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路再连至模拟数字信号转换电路A/D，模拟数字信号转换电路A/D再与状态选择电路和所述现场可编程门列阵FPGA连接。进一步，所述无线通信模块是一个集信号发射功能和信号接收功能于一体的无线接口装置。所述超声波传播导杆的材料是满足钢水温度测量环境要求的材料。所述超声波传播导杆的材料选自二硼化锆、二硼化钛。本温度测量装置具有以下几个方面的优点:1.结构简单、使用方便，便于维护；2.可在线连续测量、反应速度快，有利于温度的实时控制；3.可以实现温度0.1°当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于超声波的无线插入式温度测量装置，其特征在于，包括:温度传感模块，其包括压电式超声波换能器、绝热片和超声波传播导杆，用于以超声波为中间变量对温度感知并输出电信号从而实现温度的采集；所述绝热片安装在电式超声波换能器和超声波传播导杆之间，由一个套筒固定三者的相对位置，电式超声波换能器与电路实现模块通过信号线连接；电路实现模块，包括状态选择电路、数字模拟信号转换电路D/A、功率放大电路、模拟数字信号转换电路A/D和放大滤波电路，用于实现模拟信号与数字信号的互相转换和对信号放大与滤波的功能；所述电路实现模块与算法控制模块通过电信号连接；算法控制模块，包括现场可编程门列阵FPGA和中央处理单元CPU，用于对整个温度测量过程的时序控制和通过细分查补算法实现温度测量；算法控制模块与无线通信模块通过电信号连接；无线通信模块，包括发射和接收的集成电路，用于数据和信号传输以实现控制和人机交互。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张兴红，蒋洪庆，张天恒，陈鸿雁，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：新型
国别省市：重庆;85
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