CN104655211B - 超声波测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测量装置，包括主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器包括第一壳体以及安装在第一壳体内部的第一换能元件、测量处理元件和信号控制元件，信号控制元件分别与第一换能元件和测量处理元件连接，第一换能元件安装在所述第一壳体的底部端面，从测量传感器包括第二壳体以及安装在第二壳体的底部端面的第二换能元件，第二换能元件与信号控制元件连接。实施本发明，无需将主测量传感器和从测量传感器采集的信号进行长距离传输，节约传输线和减小测量装置的空间结构的同时可减小信号的传播延时所带来的误差，可有效避免外部环境的不稳定因素对信号传播的影响，从而提高了超声波测量装置的可靠性与测量精度。

Description

超声波测量装置

【技术领域】

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种超声波测量装置。

【背景技术】

超声波流量计简称USF(ultrasonic flowmeter)，是在流体流动时超声波束的传播速度会发生变化，进而根据传播速度变化测量流体体积的装置。超声波流量计通常包括两个超声波传感器，互为超声波信号与电信号的接收发射源，每个超声波传感器包括壳体和压电陶瓷片，压电陶瓷作为换能元件可实现电信号与超声波信号之间的相互转换。

超声波传感器需要将采集到的脉冲信号传输至硬件电路系统(流量处理设备)进行运算处理，才能得到流量信号。超声波传感器与硬件电路系统分立开来，采用信号线传输方式连接，不仅装配空间大，装配过程复杂，且信号在传输过程中容易受到外部环境不稳定因素的影响，从而降低了超声波流量计的可靠性与检测精度。

【发明内容】

基于此，有必要针对上述超声波传感器的接收信号在传输过程会发生信号衰减，进而降低流量处理设备测得的流量精确度的问题，提供一种超声波测量装置。

一种超声波测量装置，包括主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器包括第一壳体以及安装在所述第一壳体内部的第一换能元件、测量处理元件和信号控制元件，所述第一换能元件安装在所述第一壳体的底部端面，所述从测量传感器包括第二壳体以及安装在所述第二壳体的底部端面的第二换能元件，所述信号控制元件分别与所述第一换能元件、所述第二换能元件和所述测量处理元件连接，所述信号控制元件用于向所述第一换能元件和所述第二换能元件发送电信号，所述第一换能元件和所述第二换能元件分别将所述电信号转换为超声波信号、并向待测通道发送，所述第一换能元件还用于接收所述第二换能元件发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第二接收信号并向所述信号控制元件发送，所述第二换能元件还用于接收所述第一换能元件发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第一接收信号并向所述信号控制元件发送，所述信号控制元件还用于获取与所述电信号、所述第一接收信号和所述第二接收信号相应的信号参数、并向所述测量处理元件发送所述相应的信号参数，所述测量处理元件将所述相应的信号参数转换为所测量。

上述超声波测量装置，主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器将测量处理元件和信号控制元件安装在主测量传感器的第一壳体内部，安装于第一壳体内的所述信号控制元件分别与所述第一换能元件、所述第二换能元件和所述测量处理元件连接，可通过所述信号控制元件控制所述第一换能元件和第二换能元件发送超声波信号或采集超声波信号，获取与所述第一换能元件和第二换能元件采集的信号对应的信号参数，控制所述测量处理元件对所述信号参数进行处理，直接生成所测量。无需将主测量传感器和从测量传感器采集的信号进行长距离传输，节约传输线和减小测量装置的空间结构的同时可减小信号的传播延时所带来的误差，可有效避免外部环境的不稳定因素对信号传播的影响，从而提高了超声波测量装置的可靠性与测量精度。

【附图说明】

图1是本发明超声波测量装置第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明超声波测量装置第二实施方式的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

请参阅图1，图1是本发明的超声波测量装置第一实施方式的结构示意图。

本实施方式的所述超声波测量装置可包括主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器包括第一壳体以及安装在所述第一壳体内部的第一换能元件1020、测量处理元件和信号控制元件，第一换能元件1020安装在所述第一壳体的底部端面，所述从测量传感器包括第二壳体以及安装在所述第二壳体的底部端面的第二换能元件1030，所述信号控制元件分别与第一换能元件1020、第二换能元件1030和所述测量处理元件连接，所述信号控制元件用于向第一换能元件1020和第二换能元件1030发送电信号，第一换能元件1020和第二换能元件1030分别将所述电信号转换为超声波信号、并向待测通道发送，第一换能元件1020还用于接收第二换能元件1030发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第二接收信号并向所述信号控制元件发送，第二换能元件1030还用于接收第一换能元件1020发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第一接收信号并向所述信号控制元件发送，所述信号控制元件还用于获取与所述电信号、所述第一接收信号和所述第二接收信号相应的信号参数、并向所述测量处理元件发送所述相应的信号参数，所述测量处理元件将所述相应的信号参数转换为所测量。

本实施方式，主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器将测量处理元件和信号控制元件安装在主测量传感器的第一壳体内部，安装于第一壳体内的所述信号控制元件分别与所述第一换能元件、所述第二换能元件和所述测量处理元件连接，可通过所述信号控制元件控制所述第一换能元件和第二换能元件发送超声波信号或采集超声波信号，获取与所述第一换能元件和第二换能元件采集的信号对应的信号参数，控制所述测量处理元件对所述信号参数进行处理，直接生成所测量。无需将主测量传感器和从测量传感器采集的信号进行长距离传输，节约传输线和减小测量装置的空间结构的同时可减小信号的传播延时所带来的误差，可有效避免外部环境的不稳定因素对信号传播的影响，从而提高了超声波测量装置的可靠性与测量精度。

其中，对于所述第一壳体和所述第二壳体，可为金属壳体。在其他实施方式中，还可为他材料制成的壳体。

对于所述信号控制元件和所述测量处理元件，可集成到同一PCB板1010上，PCB板1010安装在所述第一壳体内。

优选地，所述主测量传感器还可包括灌封胶防震层，所述灌封胶防震层填充于PCB板1010与所述第一壳体的顶部端面之间。

优选地，与所述电信号、所述第一接收信号和所述第二接收信号相应的信号参数可为向第一换能元件1020发送电信号的发送时间、向第二换能元件1030发送电信号的发送时间、所述信号控制元件接收所述第一接收信号的时间、所述信号控制元件接收所述第二接收信号的接收时间。

在其他实施例中，与所述电信号、所述第一接收信号和所述第二接收信号相应的信号参数还可为在信号控制元件接收到所述第一接收信号之前向第一换能元件发送的脉冲信号的脉冲数、在信号控制元件接收到所述第二接收信号之前向第二换能元件发送的脉冲信号的脉冲数。

进一步地，本实施方式所述主测量传感器还可包括灌封胶防震层，灌封胶防震层填充于PCB板1010与第一壳体的顶部端面之间。

更进一步地，本实施方式所述主测量传感器还可包括连接部件，连接部件可为连接导线、连接弹簧等，连接部件连接在PCB板1010与第一换能元件1020之间。在其他实施方式中，PCB板1010与第一换能元件1020之间还可为其他连接器件。

对于第一换能元件1020和第二换能元件1030，可为压电陶瓷片。在其他实施方式中第一换能元件1020和第二换能元件1030还可为本领域惯用材料制成的其他压电元件，如电致伸缩的压电晶体及磁致伸缩的镍铁铝合金。

在一个实施例中，在具体的测量过程为：信号控制元件向第一换能元件1020发送第一电信号，并获取第一电信号的发送时间，第一换能元件1020将所述第一电信号转换为第一超声波信号向待测通道发送，第二换能元件1030接收所述第一超声波信号并将所述第一超声波信号转换为第一接收信号，向所述信号控制元件发送，所述信号控制元件接收所述第一接收信号，并获取所述第一接收信号的接收时间。信号控制元件向第二换能元件1030发送第二电信号，并获取第二电信号的发送时间，第二换能元件1030将所述第二电信号转换为第二超声波信号向待测通道发送，第一换能元件1020接收所述第二超声波信号并将所述第二超声波信号转换为第二接收信号，向所述信号控制元件发送，所述信号控制元件接收所述第二接收信号，并获取所述第二接收信号的接收时间。所述信号控制元件将第一电信号的发送时间、第一接收信号的接收时间、第二电信号的发送时间、第二电信号的发送时间向所述测量处理元件发送，所述测量处理元件根据时差发测量规则，将第一电信号的发送时间、第一接收信号的接收时间、第二电信号的发送时间、第二电信号的发送时间转换为所测量。

优选地，所测量可为管道中的液体或气体流量。

在其他实施方式中，超声波测量装置可基于频差法测量原理、相差法测量原理等进行流量或其他待测量的测量。

更进一步地，本实施方式所述超声波测量装置还可包括测量显示器1090、第一信号线和1070和第二信号线1080，所述测量处理元件通过第二信号线1080将所测量向测量显示器1090传输。所述信号控制元件通过第一信号线1070连接第二换能元件1030。所述测量显示器1090包括显示模块1091，用于显示所测量的具体数值。

本实施方式所述的超声波测量装置向外传输测量所得的具体数值，无需将传感器感测到的第一接收信号或第二接收信号(模拟信号)向其他处理设备输送，避免利用导线输送感测到的第一接收信号或第二接收信号时受干扰而影响测量结果，用于测量管道中的液体或气体流量时，能有效提高测量精度。

在另一个实施例中，超声波测量装置还可包括测量管道1040，测量管道1040的侧壁上包括两个安装口，所述主测量传感器安装在第一安装口，所述从测量传感器安装在第二安装口。

进一步地，超声波测量装置还可包括安装在测量管道1040内的第一反射元件1051和第二反射元件1052，第一反射元件1051与第一换能元件1020的夹角为45度，第二反射元件1052与第二换能元件的夹角1030为135度。第一反射元件1051和第二反射元件1052对超声波信号进行反射，以使超声波信号向第一换能元件1020或第二换能元件1030传输。

请参阅图2，图2是本发明的超声波测量装置第二实施方式的结构示意图。

本实施方式的所述超声波测量装置与第一实施方式的区别在于，信号控制元件2000可包括电信号生成单元2010、计时单元2020和控制单元2030，控制单元2030分别与计时单元2020和电信号生成单元2010连接，电信号生成单元2010分别与所述第一换能元件和所述第二换能元件连接。

本实施方式，通过时差法进行相应测量。

其中，电信号生成单元2010可为信号源。

当所述主测量传感器作为超声波发送端时，控制元件2030控制电信号生成单元2010与所述第一换能元件间接通，向所述第一换能元件发送第一电信号，并向计时单元2020发送触发信号，开始计时，所述第一换能元件将所述第一电信号转换为第一超声波信号向待测通道发送。所述第二换能元件接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一接收信号，向控制单元2030发送，控制单元2030接收所述第一接收信号后向计时单元2020发送触发信号，终止计时，从计时单元2020获取与接收到所述第一接收信号对应的第一信号参数(第一电信信号向第一换能元件发送的发送时间以及控制单元2030接收第一接收信号的接收时间)。

当所述主测量传感器作为超声波接收端时，控制元件2030控制电信号生成单元2010与所述第二换能元件间接通，向所述第二换能元件发送第二电信号，并向计时单元2020发送触发信号，开始计时，所述第二换能元件将所述第二电信号转换为第二超声波信号向待测通道发送。所述第一换能元件接收所述第二超声波信号，将所述第二超声波信号转换为第二接收信号，向控制单元2030发送，控制单元2030接收所述第二接收信号后向计时单元2020发送触发信号，终止计时，从计时单元2020获取与接收到所述第二接收信号对应的第二信号参数。(第二电信信号向第二换能元件发送的发送时间以及控制单元2030接收第二接收信号的接收时间)，将所述第一信号参数和所述第二信号参数向所述测量处理元件发送，以使所述测量处理元件时差发测量规则，将所述信号参数转换为所测量(如流量)。

在一个实施例中，本发明的超声波测量装置可用于探测液体流量，主测量传感器和从测量传感器发送的超声波信号在液体中传播时，液体的流动将使超声波信号传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其设静止流体中的超声波信号速度为c，流体流动的速度为u，传播距离为L，当主测量传感器发送的超声波信号与流体流动方向一致时(即顺流方向)，其传播速度为c+u；从测量传感器发送的超声波信号与流体流动方向不一致时，传播速度为c-u。在相距为L的两处分别放置主测量传感器T1和从测量传感器T2。当T1顺方向，T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器T1和T2所需要的时间为t1和t2，则t1＝L/(c+u)；t2＝L/(c-u)。

由于在工业管道中，流体的流速比声速小的多，即c>>u，因此两者的时间差为▽t＝t2-t1＝2Lu/cc；由此可知，当声波在流体中的传播速度c已知时，只要测出时间差▽t即可求出流速u，进而可求出流量Q。利用这个原理进行流量测量的方法称为时差法。此外还可用相差法、频差法等。

在其他实施方式中，所述电信号可为激励脉冲信号，所述信号参数可为控制单元接收到所述第一接收信号之前向第一换能元件发送的激励脉冲信号的脉冲数、在信号控制元件接收到所述第二接收信号之前向第二换能元件发送的激励脉冲信号的脉冲数。此时，信号控制元件可包括电信号生成单元、计数单元和控制单元。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种超声波测量装置，其特征在于，包括主测量传感器和从测量传感器，所述主测量传感器包括第一壳体以及安装在所述第一壳体内部的第一换能元件、测量处理元件和信号控制元件，所述第一换能元件安装在所述第一壳体的底部端面，所述从测量传感器包括第二壳体以及安装在所述第二壳体的底部端面的第二换能元件，所述信号控制元件分别与所述第一换能元件、所述第二换能元件和所述测量处理元件连接，所述信号控制元件向所述第一换能元件和所述第二换能元件发送电信号，所述第一换能元件和所述第二换能元件分别将所述电信号转换为超声波信号、并向待测通道发送，所述第一换能元件还用于接收所述第二换能元件发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第二接收信号并向所述信号控制元件发送，所述第二换能元件还用于接收所述第一换能元件发送的超声波信号、将接收的超声波信号转换为第一接收信号并向所述信号控制元件发送，所述信号控制元件还用于获取与所述电信号、所述第一接收信号和所述第二接收信号相应的信号参数、并向所述测量处理元件发送所述相应的信号参数，所述测量处理元件将所述相应的信号参数转换为所测量；

所述相应的信号参数为第一电信号的发送时间、第一接收信号的接收时间、第二电信号的发送时间、第二接收信号的接收时间；

所述主测量传感器还包括PCB板，所述测量处理元件和所述信号控制元件集成在所述PCB板上；所述主测量传感器还包括连接部件，所述连接部件连接在所述PCB板与所述第一换能元件之间；所述信号控制元件通过第一信号线连接第二换能元件；

所述超声波测量装置还包括测量管道，所述测量管道的侧壁上包括两个安装口，所述主测量传感器安装在第一安装口，所述从测量传感器安装在第二安装口；

所述超声波测量装置还包括安装在所述测量管道内的第一反射元件和第二反射元件，第一反射元件和第二反射元件对超声波信号进行反射，以使超声波信号向第一换能元件或第二换能元件传输。

2.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体均为金属壳体。

3.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，所述第一换能元件和所述第二换能元件均为压电陶瓷片。

4.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，所述信号控制元件包括电信号生成单元、计时单元和控制单元，所述控制单元分别与所述计时单元和所述电信号生成单元连接，所述电信号生成单元分别与所述第一换能元件和所述第二换能元件连接。

5.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，所述主测量传感器还包括灌封胶防震层，所述灌封胶防震层填充于所述PCB板与所述第一壳体的顶部端面之间。

6.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，还包括测量显示器，所述测量显示器与所述测量处理元件连接。

7.根据权利要求1所述的超声波测量装置，其特征在于，所述第一反射元件与所述第一换能元件的夹角为45度，所述第二反射元件与所述第二换能元件的夹角为135度。