CN1039744C - 超声旋涡流量计 - Google Patents
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超声旋涡流量计，主要由振荡器、超声旋涡发生器、放大器检波器和斯密特触发器所组成，采用超声波测量旋涡产生频率，从而达到利用卡门旋涡原理流量的目的，结构简单合理，不存在机械磨损，压力损失小，调整和使用方便，性能可靠，测量准确，可广泛用于低流量、低压力损失场合下流体流量的测定，有较大实用价值和社会经济效益。
Description
本发明属于流量计，尤其是超声旋涡流量计，适用于低流量、低压力损失场合下的流量测定，例如，在肺功能测定，呼吸机通气功能监护，麻醉气体测量等场合中的流量测定。
在本发明作出之前，呼吸系统通气功能测量，通常采用压差型流量计和叶轮型流量计。压差型流量计是在通气管道内安装一个节流件，由细网孔屏和毛细管构成，当流体通过节流体时，在节流件前后产生压力差ΔP，ΔP与通过节流件的流量Q关系式为：
其中ρ为流体密度，ΔP为压差，K为流量系数。流量在一定范围内，K是常数，超过这个范围，K是变量。这时，Q随K和ΔP而变化，因此，压差型流量计的量程受到限制，一般，量程比为3∶1，并且量程下限值较高，该流量计的灵敏度取决于节流件压力损失，节流件压力损失愈大，灵敏度愈高，反之，灵敏度愈低。在呼吸系统通气功能测量中，通气管道的压力损失增大，相当于气体流通阻力增大，这样增加了肺柔性做功和呼吸功耗，延长了肺充气和排空，如果肺不排空，功能性残气量上升，造成呼吸肌有效作用减少。因此增加通气管道压力损失，实质上是改变呼吸正常的外界条件和呼吸肌本身的功能，使测量到数据不能正确地反映出肺功能本身的状况。而叶轮型流量计是在通气管道内安装一片叶轮，叶轮旋转，并且旋转频率与流体流量成正比：
Q＝ξ·f其中Q为流量，f为叶轮旋转频率，ξ为仪表系数。当仪表系数ξ为常数时，流量Q与旋转频率f有一一对应关系，流量在一定范围内变化，ξ是常数，而超出这个范围，ξ是变量，特别是在流量较低时，ξ变化很大，当流量低于某一个值时，叶轮出现停转，不能指示流量值，该叶轮型流量计长期使用，轴承摩损会改变仪表系数，造成误测量，在工业上，使用这种流量计受到较严格的定期计量检定，在医药界，由于没有肺功能仪器的国家标准，不同型号的肺功能仪的性能也有明显差异，原因是所使用传感器类型不一样，且没有定期计量检定的规定。
本发明的任务是克服上述现有技术中存在的由于压力损失或机械摩损而引起测量不正确甚至误测量的缺点，提供一种结构简单合理、加工和使用方便、测量准确的并适用于低流量、低压损场合下的超声旋涡流量计。
超声旋涡流量计，包含有振荡器(1)、超声旋涡发生器(2)、第一级放大器(3)、第二级放大器(4)、检波器(5)、第三级放大器(6)、第四级放大器(7)和斯密特触发器(8)，振荡器(1)与超声旋涡发生器(2)连接，超声旋涡发生器(2)与第一级放大器(3)连接，第一级放大器(3)与第二级放大器(4)连接，第二级放大器(4)与检波器(5)连接，检波器(5)与第三级放大器(6)连接，第三级放大器(6)与第四级放大器(7)连接，第四级放大器(7)与斯密特触发器(8)连接，超声旋涡发生器(2)由旋涡发生器(9)、晶体外壳(10)、吸声材料(11)、超声发射晶体(12)、盖板(13)、通气管道(14)、超声接收晶体(15)所构成，超声发射晶体(12)与超声接收晶体(15)相对放置，旋涡发生器(9)轴线与超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)轴线垂直，第一级放大器(3)为直流放大器，第二级放大器(4)、第三级放大器(6)、第四级放大器(7)均为交流放大器，旋涡发生器(9)可以是园柱体或三棱锥体或长方体。下面结合附图对本发明加以详细说明：
图1为超声旋涡流量计的原理框图。
图2为振荡器的一种结构示意图。
图3为超声旋涡发生器的一种结构示意图。
图4为第一级放大器的一种结构示意图。
图5为第二级放大器的一种结构示意图。
图6为检波器的一种结构示意图。
图7为第三级放大器的一种结构示意图。
图8为第四级放大器的一种结构示意图。
图9为斯密特触发器的一种结构示意图。
如图1所示，本发明的超声旋涡流量计有8个基本部分，分别说明如下：
振荡器(1)的一种结构如图2所示，N1、R1-R3、C1-C3组成振荡器，它为超声发射晶体(12)提供载波信号，R2电位器起微调作用，使振荡器(1)与超声发射晶体(12)良好地匹配，R2的阻值在0-6.8K范围内，使振荡器(1)能良好地谐振，谐振频率为147KHz，N1是NE555定时器，R1为3.9K，C1为470P。振荡器(1)通过21，22，23与超声旋涡发生器(2)连接。
超声旋涡发生器(2)的一种结构如图3所示，在通气管道(14)上，距离旋涡发生器(9)10-30mm处放置超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)，超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)，相对放置，并在一个中心线上，通气管道(14)上开两个与超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)直径相等的孔，以便超声波通过通气管道(14)，超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)放置在吸声材料(11)内，吸声材料(11)可以选用发泡塑料超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)均选用PZT-4材料，吸声材料(11)放置在晶体外壳(10)内，用盖板(13)将超声发射晶体(12)，和超声接收晶体(15)和吸声材料(11)一起封装在晶体外壳(10)内，旋涡发生器(9)可以选用圆柱体形状，旋涡发生器(9)的轴线与超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)的轴线垂直，晶体外壳(10)用金属材料制成时，分别用屏蔽电缆S2和S3的屏蔽层通过P3和P6接地，用非金属材料制成时，其内衬涂一层金属薄膜，其金属薄膜分别用屏蔽电缆S2和S3的屏蔽层通过P3和P6接地，这样使超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)受外界干扰减小，超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)两侧的旋涡发生器(9)可以用于双向流量的测量。
P1-P3是振荡器(1)与超声旋涡发生器(2)的超声发射晶体(12)的连接接插件，振荡器(1)输出通过P1-P3与超声旋涡发生器(2)的超声发射晶体(12)连接，连接线为屏蔽电缆S2。超声旋涡发生器(2)通过41、42、43与第一级放大器(3)连接。
第一级放大器(3)的一种结构如图4所示它由N2：A，R4-R6和C6所组成，对超声接收信号进行第一次放大，它是用集成运放TL082组成的反相放大器，其输出信号电压范围为±0.07-±0.10V。
P4-P6是第一级放大器(3)与超声旋涡发生器(2)的超声接收晶体(15)的连接接插件，超声接收晶体(15)通过P4-P6与第一级放大器(3)输入连接，连接线为屏蔽电缆S3。第一级放大器(3)通过51与第二级放大器(4)连接。
第二级放大器(4)的一种结构如图5所示，它由N2：B，R7-R9和C7-C9所组成，对超声接收信号进行第二次放大，它是用集成运放TL082组成的同相放大器，输出信号的电压范围为的±0.1-±2.0V，C7为1nf。第二级放大器(4)通过61与检波器(5)连接。
检波器(5)的一种结构如图6所示，它由D1，R10-R11和C10所组成，对超声接受信号进行解调，恢复超声接受信号幅值变化的包络线，即旋涡对超声波的调制信号，R10和R11设置偏置电压，其电压范围为0--0.5V。检波器(5)通过71与第三级放大器(6)连接。
第三级放大器(6)的一种结构如图7所示，它由N3：B，R12-R14和C11-C12所组成，对旋涡调制信号进行第一次放大，它是用集成运放TL082组成的反相放大器，其输出信号的电压范围为±0.01-±2.1V，C11为683P。第三级放大器(6)通过81与第四级放大器(7)连接。
第四级放大器(7)的一种结构如图8所示，它由N3：A，R15-R18，C13-C16和D2-D3所组成，对旋涡调制信号进行第二次放大，它是用集成运放TL082组成的反相放大器，其输出信号的电压范围为±0.75-±4.5V，电容C14起滤波作用，C14愈大，滤波效果愈好，但是C14愈大，放大器灵敏度愈低，即对甚低流量的反应性愈差，C14愈小，对甚低流量的反应性愈高，但很容易出现误测量。因此，C14值选择在300P-2nf范围，本发明通过调节C14参数来调节流量测量值下限，合理选择C14，可以既有很低的流量测量值下限，又可避免干扰引起的误测量，C13为47μf，C15为473P，R16为160K，R17为1K。第四次放大器(7)通过91与斯密特触发器(8)连接。
斯密特触发器(8)的一种结构如图9所示，它由N4：A，R19-R23和D4所组成，它把第四次放大器(7)输出的信号整形为方波序列，它是用集成电路CA358组成的比较器，在没有旋涡调制信号情况下，由于电路中的噪声干扰，第四级放大器(7)也会有输出信号出现，不过，它的幅度较小，本级斯密特触发器(8)正反向阀值电压为0.4V-1.2V，当第四级放大器(7)信号幅值低于阀值电压被认为是干扰信号，本级斯密特触发器(8)无方波输出，当第四级放大器(7)信号幅值高于阀值电压，被认为是旋涡序列信号，本级斯密特触发器(8)有方波输出。
D4把斯密特触发器(8)的双极性信号转换为单极性信号，作为本发明放大器的最终输出信号，该输出的方波频率与旋涡产生频率相同。
本发明的超声旋涡流量计，其工作原理是利用卡门旋涡原理测量流量，当流体通过旋涡发生器时，在其背后产生一列上下交替的卡门旋涡，卡门旋涡产生频率为： 其中fk为卡门旋涡产生频率，d为旋涡发生器有效直径，u为流体流速，St为斯托罗哈数，当通气管道(14)内流体雷诺数Re＝102-105，St是常数，流量Q与旋涡产生频率fk成正比，即 其中A为通气管道(14)的截面积。
本发明用超声波检测旋涡产生频率fk，当一列卡门旋涡通过超声场时，超声波出现反射和折射，超声接收晶体的接收信号随这列旋涡有序地通过超声场而产生了由大到小、由小到大地有序变化，其变化频率与旋涡产生频率是一致的。超声接收晶体(15)的接收信号经过第一级放大器(3)和第二级放大器(4)。放大后的超声接收信号经过检波器(5)解调后，得到旋涡对超声波的调制信号，旋涡调制信号的信号频率就是旋涡产生频率fk。旋涡调制信号经过第三级放大器(6)和第四级放大器(7)的放大后，通过斯密特触发器(8)的判别和整形。当经过第四级放大器(7)放大后的调制信号低于斯密特触发器(8)阀值电压时，则可判别为无旋涡通过超声场，其输出为一直线。当经过第四级放大器(7)放大后的调制信号高于阀值电压时，则可判别为有旋涡通过超声场，并将其整形为方波输出。方波频率与旋涡产生频率fk一致。从而可以根据方波频率测量流量，达到超声旋涡流量测定的目的。
本发明的超声旋涡流量计与现有技术相比，不存在机械摩损问题，结构简单合理，加工、调整和使用方便，压力损失小，通常情况下压力损失不大于1.0KPa，这种流量计测量的流量范围一般为50-700ml/s，产品成本大大降低，调试方便，性能稳定可靠，测量准确，可广泛用于低流量，低压力损失场合下的流体流量测定，有较大实用价值和社会经济效益。
Claims (1)
1、超声旋涡流量计，包含有振荡器(1)、超声旋涡发生器(2)、第一级放大器(3)、第二级放大器(4)、检波器(5)、第三级放大器(6)、第四级放大器(7)和斯密特触发器(8)，超声旋涡发生器(2)由旋涡发生器(9)、晶体外壳(10)、吸声材料(11)、超声发射晶体(12)、盖板(13)、通气管道(14)、超声接收晶体(15)所构成，超声发射晶体(12)与超声接收晶体(15)相对放置，旋涡发生器(9)轴线与超声发射晶体(12)和超声接收晶体(15)轴线垂直，其特征是振荡器(1)与超声旋涡发生器(2)连接，该超声旋涡发生器(2)与第一级放大器(3)连接，该第一级放大器(3)与第二级放大器(4)连接，该第二级放大器(4)与检波器(5)连接，该检波器(5)与第三级放大器(6)连接，该第三级放大器(6)与第四级放大器(7)连接，该第四级放大器(7)与斯密特触发器(8)连接，第一级放大器(3)为直流放大器，第二级放大器(4)、第三级放大器(6)、第四级放大器(7)均为交流放大器。
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- 1993-04-19 CN CN93104314A patent/CN1039744C/zh not_active Expired - Fee Related
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