CN103424152A - 一种辅助声道式超声波流量计测量块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助声道式超声波流量计测量块。本发明包括两个分时复用于超声波信号发射与接收的能量转换模块和用于传递参考脉冲信号的辅助声道模块，两个能量转换模块的斜端面尖角向内粘结在辅助声道模块左、右两侧的同一表面上，辅助声道模块上、下表面分别粘贴有铜箔。本发明解决了由于温度、压力等实际工况变化带来的超声波换能器性能不稳定而造成流量计零点漂移的问题。通过一体化设计的超声波流量计测量块代替单独的两个普通超声波换能器，消除了零点漂移对超声波流量计的影响，保证了流量计长期工作的精度和稳定性，可广泛应用于超声波热量表、超声波水表等领域，特别适用于温度、压力变化明显，流量计零点漂移严重的测量场合。

Description

一种辅助声道式超声波流量计测量块

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计测量块，特别是涉及一种辅助声道式超声波流量计测量块。

背景技术

目前，基于直接时差法的管段式超声波流量计消除了管道材质锈蚀和衬里与管道间存在间隙所产生的信号衰减，精度普遍较高，具有广阔的发展前景。超声波换能器作为关键的测量元件，其性能稳定性和可靠性直接关系到超声波流量计的零点稳定性。

近年来，超声波换能器获得了越来越多的关注，不论是在理论研究还是制造工艺方面，都取得了一定的进步。但是随着管段口径的增大以及温度压力的变化，现有超声波换能器的零点漂移问题越来越严重。在超声波流量计中，将静态时超声波信号的顺逆流传播时间差称为零点，将由于实际工况变化所导致的零点变化称为零点漂移。零点漂移问题直接影响到流量计的计量精度，严重降低了超声波流量计的可靠性和实用性，成为制约超声波流量计发展的主要因素之一。

目前针对这种情况所提出的一种改进措施是对超声波换能器进行配对，选择参数近似的两个换能器作为一对，使得两个换能器具有相似的零点漂移量，以抵消零点漂移对测量的影响；另外一种改进措施是选择温度压力稳定性好的匹配层材料，并对制作好的换能器进行老化处理；在外夹式超声波流量计领域中，还可以利用管壁中传播的超声波信号作为参考信号，对测量信号中的零点漂移量进行修正。

但上述改进方法尚存在一些不足：对超声波换能器进行配对可以一定程度地减小零点漂移对流量计计量精度的影响，但是无法完全消除这一影响，且目前也没有十分完善的配对准则；对匹配层材料的组分进行优化可以提高超声波换能器的稳定性，但组分变化会引起材料声阻抗、密度等参数的改变，进而影响换能器的灵敏度，另外老化处理对换能器稳定性的改善作用也是有限的；在外夹式超声波流量计领域中，参考信号需通过管壁传播，受管道材质和衬里的影响较大，往往需要针对不同管段材质和衬里设计不同的声楔结构和特定的换能器，同时，测量口径越小则误差越大，适用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辅助声道式超声波流量计测量块，以代替原有的两个独立的普通超声波换能器，在不影响测量精度的条件下消除超声波流量计的零点漂移问题，保证超声波流量计长期工作时的精度和稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括两个分时复用于超声波信号发射与接收的能量转换模块和用于传递参考脉冲信号的辅助声道模块，两个能量转换模块的斜端面尖角向内粘结在辅助声道模块左、右两侧的同一表面上，辅助声道模块上、下表面分别粘贴有铜箔。

所述的两个能量转换模块结构相同，斜端面与底面的夹角为30°～40°，其斜端面所对的另一侧端面上开有一个圆柱孔，圆柱孔由内向外依次粘结有压电陶瓷片和背衬，导线连接压电陶瓷片的正负极。

所述辅助声道模块是一个扁长的实心长方体，其长度L和厚度h根据超声波第一次到达辅助声道模块与被测介质的交界面并发生发射和透射后，辅助声道模块中的超声波分量在辅助声道模块中反复反射后刚好能够到达透射到被测介质中的超声波分量经管壁反射一次后再次透射回辅助声道模块时所处位置的原则计算得出；所述的铜箔位于超声波第一次到达辅助声道模块和被测介质的交界面时所处的位置与经管壁反射一次后再次透射回辅助声道模块时所处另一位置之间，且上、下表面上的铜箔位置相对称。

所述的两个能量转换模块和辅助声道模块均为相同的环氧树脂基复合材料；所述粘结剂是液态的环氧树脂基复合材料，其组分与能量转换模块和辅助声道模块所用的环氧树脂基复合材料相同。

本发明具有的有益效果是：

1、在不影响测量精度的条件下，消除了超声波流量计的零点漂移问题，保证超声波流量计长期工作时的精度和稳定性；

2、将接收端和发射端换能器集成到一起，不需要进行配对，节省时间，提高了生产效率；

3、辅助声道模块不受管道材质和衬里的影响，针对不同管段和衬里不需要进行特别的设计，提高了换能器的适用性。

本发明可广泛应用于超声波热量表、超声波水表等领域，特别适用于温度、压力变化明显，流量计零点漂移严重的测量场合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明涉及的能量转换模块的结构示意图。

图3是本发明涉及的辅助声道式超声波流量计测量块的工作示意图。

图中：1a、能量转换模块，1b、能量转换模块，2、铜箔，3、辅助声道模块，4、压电陶瓷片，5、背衬，6、导线，7、二次仪表，8、辅助声道模块中的超声波分量，9、被测介质中的超声波分量，10、被测介质，11、管壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，包括两个分时复用于超声波信号发射与接收的能量转换模块1a、1b和用于传递参考脉冲信号的辅助声道模块3，两个能量转换模块1a、1b的斜端面尖角向内粘结在辅助声道模块3左、右两侧的同一表面上，辅助声道模块3上、下表面分别粘贴有铜箔2。

所述的两个能量转换模块1a、1b结构相同，是楔形的，斜端面与底面的夹角为30°～40°，其斜端面所对的另一侧端面上开有一个圆柱孔，圆柱孔由内向外依次粘结有压电陶瓷片4和背衬5，导线6连接压电陶瓷片4的正负极。待压电陶瓷片4粘结牢固后，在压电陶瓷片4未粘结一面与圆柱孔之间浇注上环氧树脂、固化剂、钨粉按照质量比1:0.1:3～4混合后所得的背衬5，以吸收反向的超声波，迅速减弱余震并起到微调信号的作用。

如图3所示，所述辅助声道模块3是一个扁长的实心长方体，其长度L和厚度h根据超声波第一次到达辅助声道模块3与被测介质10的交界面并发生发射和透射后，辅助声道模块中的超声波分量8在辅助声道模块中反复反射后刚好能够到达透射到被测介质中的超声波分量9经管壁11反射一次后再次透射回辅助声道模块3时所处位置的原则计算得出；所述的铜箔2位于超声波第一次到达辅助声道模块和被测介质的交界面时所处的位置与经管壁11反射一次后再次透射回辅助声道模块3时所处另一位置之间，且上、下表面上的铜箔位置相对称。

所述的两个能量转换模块1a、1b和辅助声道模块3均为相同的环氧树脂基复合材料；所述粘结剂是液态的环氧树脂基复合材料，其组分与能量转换模块1a、1b和辅助声道模块3所用的环氧树脂基复合材料相同。

根据斯涅耳公式，辅助声道模块3的长度L和厚度h应满足以下关系式

$2(\frac{w}{2\sin \mathrm{\θ}}+h\cot \mathrm{\θ})+n\·h\cot \mathrm{\θ}=L$

其中Z_p为压电陶瓷片5的声阻抗值，Z_l为被测介质10的声阻抗值，θ为能量转换模块1a、1b斜端面与底面的夹角，D为管段的内径，n为辅助声道模块中的超声波分量8到达被测介质中的超声波分量9经管壁11反射一次后再次透射回辅助声道模块3时所处位置后反复反射的次数，w为能量转换模块1a,1b斜端面所对的另一侧端面的高度。

此外，为了减少辅助声道模块中的超声波分量8传递过程中的能量损耗，在超声波两个透射点之间的上下表面分别粘贴有铜箔2，且铜箔2边缘与两个透射点的距离为2-3mm。

根据逆压电效应，当在压电陶瓷片4正负极之间施加频率与压电陶瓷片4谐振频率相近的高频脉冲信号时，将使其产生高频正弦振动并发出超声波。同理，利用正压电效应，压电陶瓷片4可以将超声波信号转换为电信号。利用上述原理，所述的能量转换模块1a、1b可以实现超声波信号的发射与接收。

上述能量转换模块1a、,1b和辅助声道模块3都是由相同的环氧树脂基复合材料加工得到的；粘结剂是液态的环氧树脂基复合材料，其组分与能量转换模块1a,1b和辅助声道模块3所用的环氧树脂基复合材料相同。按重量份数计，这种环氧树脂基复合材料包括以下组分：

上述环氧树脂可以采用E-44、E-51、E-39D、F-54、F-51中的任一种或一种以上混合物；固化剂可以采用芳胺、改性芳胺、间苯二胺中的任一种或一种以上化合物；稀释剂可以采用丁基缩水甘油醚、环氧丙烷丁基醚、十二烷基缩水甘油醚中的任一种或一种以上化合物；增强材料可以采用碳酸钙、钨粉、空心玻璃微珠、空心塑料微珠、空心陶瓷微珠中的任一种或一种以上混合物。在制作出上述环氧树脂基复合材料后，可以通过车、铣、磨等机加工方式加工得到所需形状、尺寸的各模块。

如图3所示，以能量转换模块1a首先作为发射端为例，所述的辅助声道式超声波流量计测量块工作时，首先由能量转换模块1a在二次仪表7控制下发射出超声波，经辅助声道模块3斜入射到辅助声道模块3与被测介质10的交界面上后，其中一部分超声波在这一交界面上发生反射，由于铜箔2的阻碍作用，这部分超声波分量只能在辅助声道模块3中反复反射并最终传回作为接收端的能量转换模块1b中，作为流量计的参考脉冲信号；剩下的超声波将在这一交界面上发生透射，传播到被测介质10中，经过管壁11反射一次后再次透射到辅助声道模块3中并最终传回作为接收端的能量转换模块1b中，这部分超声波分量同时包含流量计的零点与流速信息。待能量转换模块1b接收到上述两部分超声波分量后，流量计的二次仪表7再次向能量转换模块1b提供相同的激发信号，此时能量转换模块1b作为发射端使用并重复上述信号传播过程，以实现流量计的逆向测量，完成一个测量周期。

由两次测量的结果可以得到辅助声道模块中的超声波分量8的正逆向传播时间差以及被测介质中的超声波分量9的正逆向传播时间差。根据不同的被测介质10确定相应的修正系数，从被测介质中的超声波分量9的正逆向传播时间差中减去经过修正系数修正后的辅助声道模块中的超声波分量8的正逆向传播时间差，即可消除每个测量周期的测量结果中所包含的零点漂移量，得到单纯的测量信号，从而解决零点漂移对超声波流量计性能的影响。

Claims (4)

1.一种辅助声道式超声波流量计测量块，其特征在于：包括两个分时复用于超声波信号发射与接收的能量转换模块（1a、1b）和用于传递参考脉冲信号的辅助声道模块（3），两个能量转换模块（1a、1b）的斜端面尖角向内粘结在辅助声道模块（3）左、右两侧的同一表面上，辅助声道模块（3）上、下表面分别粘贴有铜箔（2）。

2.根据权利要求1所述的一种辅助声道式超声波流量计测量块，其特征在于：所述的两个能量转换模块（1a、1b）结构相同，斜端面与底面的夹角为30°～40°，其斜端面所对的另一侧端面上开有一个圆柱孔，圆柱孔由内向外依次粘结有压电陶瓷片（4）和背衬（5），导线（6）连接压电陶瓷片（4）的正负极。

3.根据权利要求1所述的一种辅助声道式超声波流量计测量块，其特征在于：所述辅助声道模块（3）是一个扁长的实心长方体，其长度L和厚度h根据超声波第一次到达辅助声道模块（3）与被测介质（10）的交界面并发生发射和透射后，辅助声道模块中的超声波分量（8）在辅助声道模块中反复反射后刚好能够到达透射到被测介质中的超声波分量（9）经管壁（11）反射一次后再次透射回辅助声道模块（3）时所处位置的原则计算得出；所述的铜箔（2）位于超声波第一次到达辅助声道模块和被测介质的交界面时所处的位置与经管壁（11）反射一次后再次透射回辅助声道模块（3）时所处另一位置之间，且上、下表面上的铜箔位置相对称。

4.根据权利要求1所述的一种辅助声道式超声波流量计测量块，其特征在于：所述的两个能量转换模块（1a、1b）和辅助声道模块（3）均为相同的环氧树脂基复合材料；所述粘结剂是液态的环氧树脂基复合材料，其组分与能量转换模块（1a、1b）和辅助声道模块（3）所用的环氧树脂基复合材料相同。

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