CN105258742B - 具有锁定机构的超声波耗量测量仪 - Google Patents

具有锁定机构的超声波耗量测量仪 Download PDF

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Abstract

披露了一种超声波耗量测量仪，包括：用于被测的介质的流动通道，用于发射和接收超声波的一个或多个超声波换能器，用于操作测量仪的电子线路，用于超声波换能器和电子线路的罩壳，以及将所述罩壳相对于流动通道锁定到位的锁定机构。

Description

具有锁定机构的超声波耗量测量仪
本申请是以下申请的分案申请：申请日：2011年2月8日；申请号：201180018131.7；发明名称“具有锁定机构的超声波耗量测量仪”。
技术领域
本发明涉及一种超声波耗量测量仪，所述超声波耗量测量仪用于测量流体物质，例如水或气体，尤其涉及一种暴露于冷凝条件或其他有害环境中的测量仪。
背景技术
电子耗量测量仪是精密设备，置于有害的环境中容易受损，除非其易受影响的部分得到很好的保护。发生功能障碍的主要原因是由于电子线路或部件被侵蚀。
举个例子，因为测量仪中的水和可能潮湿的空气之间的温度差异，用于冷水的电子测量仪暴露至来自周围空气的冷凝水。环境中其他潜在的有害成分可能是侵袭性气体或灰尘。如果流动通道中的水穿透流动通道和电子器件之间的隔层，电子水测量仪也存在功能异常的风险。
以下讨论的是几个已知的用于保护超声波耗量测量仪中敏感电子器件的方法：
-用于电子器件的气密封箱，在换能器和电子器件之间带有密封的电连接。这是一种有效的解决方案，可惜由于密封电连接制造复杂，这种方案代价很高。
-经灌封的电子器件，带有或者不带有经灌封的换能器(在EP1983311中示出一例)。对于长期暴露于湿气和水中的情况，这不是一个很有效的解决方案，这是因为已知的用于灌封电子器件的材料有相对高的蒸汽渗透度。水测量仪通常要使用很多年，在某些情况下，它甚至浸在水中很长时间。由此，在这些情况下，测量仪损坏的风险高。
-对电子器件和换能器的多层保护(在EP2083251中示出一例)，这在某些应用中可能有效，但是这种方案复杂且昂贵。
因此，目的在于提供一种节省成本的基于超声波的耗量测量仪，该耗量测量仪的易受影响的部分得到有效的保护，防止水和其他有害物质的损害。其他需要考虑的参数包括测量仪的强度和耐久性，尤其是流动通道以及用于连接管道的连接，例如踏面。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、耐用、可以长期使用的超声波耗量测量仪，所述超声波耗量测量仪得到有效保护，防止来自周围环境和流动通道内部的湿气、水和其他物质的侵害。
超声波耗量测量仪包括：
-被测介质的流动通道；
-用于发射和接收超声波的超声波换能器；
-操纵测量仪的电子线路；
-用于所述换能器装置和所述电子线路的罩壳；及
-锁定机构，其将罩壳相对于流动通道锁定到适当位置。
流动通道引导介质在入口和出口之间被测量。流动通道需要能够承受内部介质的压力，需要能够承受外部施加的力。对于水测量仪而言，优选的方案是流动通道由金属制成，如黄铜或者不锈钢；对于气体测量仪，聚合物可以满足其强度要求。在一个有益实施例中，其他特征件设置在出口和入口间的流动通道中，例如用于重新定向超声波的反射器、流扰动校正器、以及维度的改变，用于优化流动通道内部的流体方向和速度。这些特征件可以由几个不同的材料制造，例如聚合物、玻璃填充聚合物或者金属。
罩壳包括至少两部分：杯体和盖体，两者之间具有气密密封件。
杯体最优选是由低扩散、高强度的聚合材料制成，例如高密度聚合物，如PPS(聚苯撑硫)，或PSU(聚醚砜)。尽管这些物质并不是完全不透水，但渗透率很小，可以预期可以安全运行多年。通过将聚合物和纤维混合，如玻璃纤维或者矿物纤维，可以进一步增加材料的强度。40％的玻璃纤维是优选的，因其可以在生产率、成本和强度之间达到一个平衡。可选地，杯体可由金属制成，但由于成本和设计的限制，是一种次优方案。
在对流动通道的描述中提及的某些可选特征件可以安装到杯体上，例如反射器或流量校正器。
盖体最优选同样是由低扩散材料制成，如高密度聚合物。可惜这些材料大多是不透明的或不透光的，所以，如果显示器是电子线路的一部分，它将不能被看到。因此在这些情况下，玻璃或者特殊聚合物，如COC(环烯烃共聚物)，优选地被用于盖体。这些材料既展现出透明性也展现出水蒸汽的低扩散率。
盖体和杯体之间的气密密封件可以是一个或多个O形环、流体橡胶材料、焊接接缝或胶粘物。
优选地，通过一锁定环将盖体保持在适当位置。锁定环将杯体和盖体保持在一起，其可以由法定密封件确保安全，由此打开测量仪会留下明显痕迹。
根据所使用的材料和密封件的有效性，在使用的多年期间，少量的水蒸汽可能穿透罩壳。在这种情况下，通过放置在所述罩壳内的干燥剂可以进一步保护电子器件免受腐蚀。干燥剂可以是硅胶、硫酸钙、氯化钙、某些类型的粘土和分子筛。
特别有利的是未被电线穿过的罩壳，因为这使得瑕疵的风险以及水蒸汽和其他有害物质渗漏到罩壳的风险降低。
超声波换能器通常是压电材料制成的，通常是锆钛酸铅(PZT)类型材料。当电压差额加在换能器上，换能器发射超声波，当超声压力波加在换能器上，换能器产生电荷。在一定的频率下，基于换能器的材料参数和机械形状，能量形式电压、超声压力波和电荷间的转化是最有效的。这样的频率被称为共振频率。当压电材料直接声耦合到其它材料上，这会影响共振频率和不同形式的能量之间转化的水平。压电材料的一个有利位置是罩壳的内部，由此以避免电连接穿过罩壳。这意味着，压电材料在合适的位置靠压罩壳，而彼此之间带有声学耦合材料。声学耦合材料保证声能量在压电材料和罩壳之间运输而几乎没有能量损失，其优选地可以是以下几个类型：硅油、硅凝胶、丙二醇、胶粘物、导电胶或油。在压电材料上朝向罩壳的适当的力最优选地通过压电材料背面的弹簧实现。特别有利的是金属弹簧，它们具有额外的功能，可以用于压电材料和电子线路之间的电连接。
电子线路控制超声波信号的发射和接收，并根据流动通道的流动将所接收的信号转换成一个或更多个可用的数值。这些数值在罩壳内的显示器上显示，或通过无线电波、磁脉冲、静电脉冲、光脉冲、或导线、或六个替代的组合传送到罩壳的外部。无线传输数值是优选的，以避免电连接穿过罩壳。
所述电子线路连接到电源上，最优选的是置于罩壳内的电池。电源的其他解决方案是：有线连接到罩壳外部能源，或者置于罩壳内部的能量收集回路，该能量收集回路从环境中收集机械的、电磁的、磁的、静电的、热的或放射性的能量，并将之转换为电能。无外部能量源期间，能量收集回路需要后备电源系统，例如可重复充电电池或者大容量电容。
锁定机构保证罩壳相对流动通道不移动。这很重要，因为压电材料置于罩壳内部，罩壳和流动通道之间的移动有可能影响测量结果。
进一步地，较佳地，流动通道具有孔，因而传播的超声波将从压电材料通过罩壳轻易地进入流动通道中流动的介质。这些孔必须被密封，以使所述介质不会流出流动通道，因此该密封件被设置于罩壳和流动通道之间。锁定机构确保该密封件只需要吸收少量的或不吸收流动通道和罩壳之间的移动。
一个简单的锁定机制可以是将两部分保持在一起的螺钉，但一优选的解决方案是无螺钉的锁定机构，因为这是自动化生产的最佳解决方案。在本发明中提出了这样的锁定机构。
在流动通道的外侧制成有凸起以使一个或多个定位销将罩壳锁定在适当位置，当定位销插入杯体上相匹配的孔后，罩壳被准确地固定在流动通道的适当位置。可选地，杯体上的孔可以是不完整的，例如当定位销被插入时，孔可以是不完全围绕定位销的。
在最简单的形式中，流动通道上的凸起以一偏移量被设置在高于杯体上的凸起的位置。这允许流动通道和杯体上的凸起在装配过程中越过彼此，因此所述杯体可以安装到流动通道上而两部分的凸起互相不接触。由此，锁定过程操作就像拉链，罩壳和流动通道被一个或多个锁定销扣在一起。
优选地，一个或多个锁定销以平行于流动通道的运动移动到适当位置，因为当流动通道的压力增加时，这使得产生在罩壳上的力有更大的分散区域。
通过其他部分的凸起隐藏一个部分的所有锁定凸起，可以得到隐藏的锁定机构。
该一个或多个锁定销可以很好地通过密封件来确保安全，因此拆卸测量仪会留下明显的痕迹。
附图说明
图1示出了完整的耗量测量仪图。
图2示出了锁定机构中所涉及的三个部分的分解图。
图3示出了完整的测量仪的分解图。
图4示出了完整的测量仪的剖面图。插入件10a由杯体上的特征件10b固定在
其位置上。
图5a和图5b示出了锁定机构的一个细节，具有杯体内的完全的孔以作为锁定
机构的一部分。
图5c和图5d示出了锁定机构的一个细节，具有杯体上的简单的凸起以作为锁
定机构的一部分。
图6示出了一种隐藏的锁定机构的细节。
具体实施方式
如果在罩壳内有显示器或前板2，一个透明的盖体1是有利的。该盖体1是罩壳的一部分。
带有耗量测量仪相关信息的前板2通过盖体1可见。该信息可以是，但并不限于以下类型：测量仪编号、批准号、测量仪类型、供应商名称、实用名称、测量仪尺寸，或机器可读的信息，例如条形码或图案。
电子线路3包括印刷电路板、电子部件、电源单元，例如电池，以及显示器。在一个有利的实施例中，通信接口，如光通信、无线通信或有线通信接口，是电子线路3的一部分。除了从测量仪得到的测量值，显示器可选地显示通过通信接口收到的信息。在一个特别有利的实施方案中，压敏装置包括在电子线路3中，以监督经气密密封的罩壳内的压力。
锁定环4将盖体1和杯体6保持在一起。该环4在外缘上的某个地方被分开，因此它可以围绕杯体6和盖体1被固定。在一个用于收费的耗量测量仪中，一个有利的做法是通过密封件确保锁定环4安全，因此在不破坏密封件或者锁定环4的情况下打开盖体1是不可能的。一个有利的用于密封的装置是通过锁定环4上两个孔拉出的线，该环的分开的部分的每一侧上有一个孔。或者，可选地，一条当被移动时会破裂的标记过的胶带可被用作为密封件。聚合物材料是最适合用于锁定环4的材料，该材料可以具有或无不具有增强纤维。
压电材料5发射和接收超声波。一种合适的材料是熔结的PZT，并被加工到某个尺寸，然后被极化。在基于多普勒效应的耗量测量仪中，大多数情况下一件压电材料5就足够，对于基于传播时间原则的耗量测量仪，至少需要两件压电材料5。
杯体6作为罩壳的一部分，容纳电子线路3和压电材料5。在一些实施例中，为了将干燥剂置入罩壳内，将杯体6设计的足够大是有益的。干燥剂可以放置在杯体6内一个有单独盖体的单独隔室内，或放于在杯体6内的一个小袋子内处理。杯体6由一个或多个锁定销8附着至流动通道9。杯体6最优选地被制成一个纤维增强聚合物的单件。由于罩壳是气密密封的，在正常空气压力下，很难将盖体1按入杯体6内，这是因为盖体1关闭时罩壳内的空气从内部提供增大的压力到盖体1上。因此在组装过程中局部地降低罩壳周围空气压力是有益的，例如在气密装配盒内。可选地，杯体6一侧上的小孔在盖体1的装配过程中允许空气被压出，之后在较晚的阶段，孔可被堵塞上。塞子可以由与杯体6一样的材料或者其他材料制成，可以被胶合、焊接或压到杯体6上，可选地，塞子用O形环或类似物体来密封。出于实际原因，杯体6的直径通常是小于15厘米而大于3厘米。杯体6的高度，通常是小于6厘米而大于1厘米。
密封装置7在流动通道9和罩壳之间。在优选实施例中，该密封装置7包括一个或多个O形环。O形环防止测量仪测量的介质从流动通道9中漏出。O形环优选地具有0.5至4毫米的材料直径，而孔通常地具有5至15毫米的直径。O形环由橡胶类或热塑性材料制成。
一个或多个锁定销8将罩壳紧固至流动通道9。平行或者垂直于流动通道9，在杯体6内的凸起11和流动通道9的凸起12之间插入锁定销8。这样这两部分就被锁在一起。插入之后，锁定销8由密封装置确保安全，该密封装置防止在密封件或者罩壳或者流动通道9上不留下可见痕迹的情况下拔出销8。一个有利的密封装置是通过锁定销8上的孔拉出的线。保证锁定销8安全的该密封件和确保锁定环4安全的密封件可结合在一起。
流动通道9引导需测量的介质从入口到出口。在一个优选的实施例中，介质是水，流动通道9是由切割成合适的长度的、加工成所需形状的黄铜挤压片制成的。在流动通道9的一侧，使用铣刀从黄铜挤压片切出凸起以制造适于锁定机构的形状。在流动通道9上凸起12的同侧做出一个或多个圆孔。孔在外侧有延伸的直径用于O形环。这一个或这些多个孔与杯体6上的圆形形状匹配，因此水密密封可以设计成流动通道9和杯体6之间带有一个或多个O形环。在另一个优选的实施例中，介质是气体，流动通道9由聚合物材料制成。在这种情况下，孔和凸起12在铸造流动通道9时产生。
特征件10在流动通道9内。所述特征件10优选地由用玻璃纤维增强的聚合物材料制成的插入件10a制成。在插入件10a上，金属物体可以有选择地固定，用于反射超声波或者被测介质流的重定向。在一个特别有益的实施例中，聚合物插入件10a的形状具有反射器或者重定向器的作用。在一些实施例中，一些特征件如反射器，在杯体6安装到流动通道9之前固定到杯体6上。在一个特别有益的实施例中，从入口或者出口安装到合适位置的插入件10a依据杯体6在流动通道9上的位置安装到适当位置。这是通过使杯体6具有进入插入件10a上的凹部或者孔的特征件10b而实现的。
在杯体6上的凸起11作为锁定机构一部分。在需要最大强度的实施例中，设计这些凸起11作为孔是一个有利做法。在对强度约束较少的实施例中，一种有利的做法是将凸起11设计成不完整的孔，例如简单凸起。
流动通道9上的凸起12作为锁定机构的一部分。在一些实施例中，保护锁定机构不被篡改是优点，优选的是隐藏的锁定机构。这通过在整个锁定机构区域上延伸流动通道9或杯体6上的凸起来设计，以致于从外面无法看到或进行操作。
在流动通道9中的特征件13固定在杯体6上。
密封装置14在杯体6和盖体1之间。在较佳实施例中，密封装置14包括一个或多个O形环。在密封中某一部分即盖体1、杯体6或者O形环有缺陷的情况下，冗余的O形环将增加测量仪的坚固性。该一个或多个O形环是由橡胶类或热塑性材料制成的。
虽然本发明联系优选的和有利的实施例进行了描述，但其目的并不在于被限制到指定的形式和应用。相反，本发明的范围仅由所附的权利要求限制。
在本部分中，出于解释而不是限制的目的，阐述了披露的实施例的某些具体细节，以便提供对本发明清晰和透彻的理解。然而，本领域的技术人员应当很容易理解，本发明可能由其他并不完全符合所示细节，但不明显偏离本发明精神和公开范围的实施例应用。另外，在此上下文中，出于简洁和清楚的目的，对公知装置，电路和方法的详细描述已经被省略，以避免不必要的细节和可能的混乱。

Claims (37)

1.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
两个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
锁定机构(8,11,12)，所述锁定机构将所述罩壳相对于所述流动通道锁定到位；
其中所述罩壳包括透明的盖体(1)，所述电子线路包括显示器，所述显示器被设置成通过所述透明的盖体可视，且其中电池和无线通信接口被设置为所述电子线路的一部分；及
其中所述流动通道具有两个孔，所述两个孔用于所述罩壳与所述介质相接触。
2.根据权利要求1所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的盖体(1)由透明的低扩散材料制成。
3.根据权利要求2所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的低扩散材料是玻璃。
4.根据权利要求2所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的低扩散材料是环烯烃共聚物(COC)。
5.根据权利要求1所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳进一步包括杯体(6)和在所述透明的盖体(1)和所述杯体(6)之间的气密密封件(14)。
6.根据权利要求5所述的超声波耗量测量仪，其中，所述杯体(6)的直径在3cm–15cm的范围内。
7.根据权利要求5所述的超声波耗量测量仪，其中，所述杯体(6)的高度在1cm–6cm的范围内。
8.根据权利要求1所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳未被电线穿过。
9.根据权利要求1所述的超声波耗量测量仪，其中，所述电子线路(3)包括被设置为监测所述罩壳内的压力的压敏装置。
10.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
两个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
锁定机构(8,11,12)，所述锁定机构将所述罩壳相对于所述流动通道锁定到位；及
其中所述流动通道具有两个孔，所述两个孔用于所述罩壳与所述介质相接触。
11.根据权利要求10所述的超声波耗量测量仪，其中，密封装置(7)被设置在所述流动通道(9)和所述罩壳(1,6)之间。
12.根据权利要求11所述的超声波耗量测量仪，其中，所述密封装置包括O形环。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳和所述两个孔被设置以允许两个所述换能器所处的罩壳中的那些部分与所述介质相接触。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的超声波耗量测量仪，其中，所述两个孔被设置在所述流动通道的同一侧。
15.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
两个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
锁定机构(8,11,12)，所述锁定机构将所述罩壳相对于所述流动通道锁定到位；
其中所述罩壳包括杯体(6)、盖体(1)和气密密封件(14)；
其中显示器、电池和无线通信接口被设置为所述电子线路的一部分；及
其中所述流动通道具有两个孔，所述两个孔用于所述罩壳与所述介质相接触。
16.根据权利要求15所述的超声波耗量测量仪，其中，所述杯体(6)由低扩散、高强度的聚合材料制成。
17.根据权利要求16所述的超声波耗量测量仪，其中，所述低扩散、高强度的聚合材料是高密度聚合物。
18.根据权利要求16所述的超声波耗量测量仪，其中，所述低扩散、高强度的聚合材料是聚苯撑硫(PPS)。
19.根据权利要求16所述的超声波耗量测量仪，其中，所述低扩散、高强度的聚合材料是聚醚砜(PSU)。
20.根据权利要求16所述的超声波耗量测量仪，其中，所述低扩散、高强度的聚合材料和玻璃纤维混合。
21.根据权利要求15所述的超声波耗量测量仪，其中，所述盖体(1)由低扩散的材料制成。
22.根据权利要求21所述的超声波耗量测量仪，其中，所述低扩散的材料是高密度聚合物。
23.根据权利要求15所述的超声波耗量测量仪，其中，所述盖体(1)是透明的盖体，并且所述显示器被设置成通过所述透明的盖体可视。
24.根据权利要求23所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的盖体由透明的低扩散材料制成。
25.根据权利要求24所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的低扩散材料是玻璃。
26.根据权利要求24所述的超声波耗量测量仪，其中，所述透明的低扩散材料是环烯烃共聚物(COC)。
27.根据权利要求15所述的超声波耗量测量仪，其中，所述杯体(6)的直径在3cm–15cm的范围内。
28.根据权利要求15所述的超声波耗量测量仪，其中，所述杯体(6)的高度在1cm–6cm的范围内。
29.根据权利要求15至28中任一项所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳未被电线穿过。
30.根据权利要求15至28中任一项所述的超声波耗量测量仪，其中，所述电子线路(3)包括被设置为监测所述罩壳内的压力的压敏装置。
31.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
两个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
所述流动通道具有两个孔，所述两个孔用于所述罩壳与所述介质相接触；及
两个O形环(7)，所述两个O形环被设置成用于在所述流动通道和所述罩壳之间密封。
32.根据权利要求31所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳和所述两个孔被设置以允许两个所述换能器所处的罩壳中的那些部分与所述介质相接触。
33.根据权利要求31所述的超声波耗量测量仪，其中，所述两个孔被设置在所述流动通道的同一侧。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的超声波耗量测量仪，包括锁定机构(8,11,12)，所述锁定机构(8,11,12)将所述罩壳相对于所述流动通道锁定到位。
35.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
一个或多个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
所述流动通道具有一个或多个孔，所述一个或多个孔用于所述罩壳与所述介质相接触，且其中所述一个或多个超声波换能器(5)在所述罩壳与所述介质相接处的位置与所述罩壳(1,6)的内侧声学耦合。
36.一种超声波耗量测量仪，包括：
用于被测的介质的流动通道(9)；
一个或多个用于发射和接收超声波的超声波换能器(5)；
用于操作所述测量仪的电子线路(3)；
用于所述换能器和所述电子线路的罩壳(1,6)；
其特征在于，
锁定机构(8,11,12)，所述锁定机构将所述罩壳相对于所述流动通道锁定到位；
其中，所述电子线路(3)包括被设置为监测所述罩壳内的压力的压敏装置；
其中显示器、电池和无线通信接口被设置为所述电子线路的一部分；及
所述流动通道具有两个孔，所述两个孔用于所述罩壳与所述介质相接触。
37.根据权利要求36所述的超声波耗量测量仪，其中，所述罩壳包括杯体(6)、盖体(1)和气密密封件(14)。
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