CN105277242A - 一种超声波流量计的超声换能器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波流量计的超声换能器结构，包括两端封闭的管道，在管道的两端分别开设有一凹槽，在凹槽内沿其轴向设有两层换能元件以及三层金属电极片，在换能元件和金属电极片外侧设有绕换能元件和金属电极片一周的去耦层；所述换能元件、金属电极片以及去耦层由灌封层密封在凹槽内；在管道的侧壁上设有进液管和出液管，所述进液管和出液管分布靠近管道的两端。本发明结构简单，使用方便，并且稳定性高。

Description

一种超声波流量计的超声换能器结构

技术领域

本发明涉及超声波流量计，尤其涉及一种超声波流量计的超声换能器结构。

背景技术

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波脉冲的作用来测量流量的仪表，其结构主要包含测量管道、超声传感器、电路模块、测流算法等部分。超声波流量计具有结构简单、响应速度快、测量范围大、稳定性好、精度高等特点，可用于各种液体和气体管道内流速及流量的检测。

超声换能器是超声波流量计的核心部件，其功能是实现电声能量的转换。在大多数超声流量计结构中，换能器通常为配对使用，每个传感器均需要在特点时刻进行发射或接收，因此，流量计中所用换能器多为收发合置。根据所测流体介质的特性及温度、压强等环境因素的不同，超声换能器辐射面可直接与流体接触，或透过管壁进行声辐射。对于高温、高压及腐蚀性等特殊流体环境，则通常采用换能器外置的方式来提高整个系统的可靠性。

目前换能器外置的方式多采用夹持安装的方式来实现，通常将超声换能器通过外力将其与管壁的特定位置压紧，中间填充耦合剂，来实现良好的声发射。该结构形式由于个体安装中施加压强的差别，会影响配对器件的一致性，从而影响流量计的测量精度。另外，虽然辐射面与管壁之间涂抹耦合剂的方式可在一定程度上增加声波透射效率，但是耦合剂在换能器工作时由于不断地挤压会溢出并挥发，因此，透声效率会逐渐降低，并最终导致整个结构无法满足需求，严重影响流量计的使用寿命。

此外，目前所用超声换能器几乎全部为单频点工作，对于特定的应用环境，较高的工作频率是高精度测量的保证，然而高频工作时超声波在各传输层之间以及流体中传播损耗大，如要保证足够大的信噪比则需要大功率发射；工作频率较低时，虽然可在小电压下实现高信噪比，但是由于单位时间内传播周期个数减小，难以实现高灵敏度测量。

针对上述存在的问题，迫切需要一种性能稳定的结构来代替当前的安装方式，并且采用一种多频点工作的超声换能器来代替目前的单一模式，从而为实现多频点工作的流量计提供技术支持。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决超声传感器安装麻烦，使用不方便，稳定性差的问题，提供一种超声波流量计的超声换能器结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种超声波流量计的超声换能器结构，其特征在于：包括两端封闭的管道，在管道的两端分别开设有一凹槽，所述凹槽的轴心线与管道的轴心线重合；在凹槽内沿其轴向设有两层换能元件以及三层金属电极片，其中，换能元件与金属电极片交替分布并紧贴在一起，三层金属电极片分别与一导线相连；在换能元件和金属电极片外侧设有绕换能元件和金属电极片一周的去耦层；所述换能元件、金属电极片以及去耦层由灌封层密封在凹槽内；

在管道的侧壁上设有进液管和出液管，所述进液管和出液管分布靠近管道的两端。

进一步地，近凹槽底部的金属电极片与凹槽底部之间设有匹配层，所述匹配层将金属电极片与凹槽底部隔离；在远离凹槽底部的金属电极片上设有背衬层，所述背衬层将金属电极片覆盖。

进一步地，所述进液管和出液管分别位于管道相对的两侧，且进液管和出液管的一端与管道相连通，另一端朝相反的反向倾斜。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、结构简单，将超声换能单元（换能元件与金属电极片）与管道集成为一体，使用更加方便，能够大大提高声波透射效率，进而提高功能元件的振动能量传入管道流体以及对管道流体中超声波的接收效率，提高整个结构的机电耦合效率，使测量稳定性更好。

2、在一个换能器结构上实现多模态工作，能够为流量计提供高精度、低功耗等多种工作模式选择，大大提高结构的通用性；该结构能够工作在径向谐振和厚度谐振两种模式，在径向和厚度谐振两种模式的基础上，通过采用不同的加电方式，还可实现双层厚度振动、双层径向振动、厚度方向一层扩张一层收缩、前端单独工作、后端单独工作等多种方式，从而实现了单一结构多种模式工作的设计目的。

3、避免了由于安装的误差而造成的对换能器电声性能一致性的破坏，以及由于耦合剂的存在而造成的可靠性降低，必将大大延长结构的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为管道一端的换能结构示意图。

图3为对中间金属电极片接高电压，两端金属电极片接低电压时，换能元件的工作原理图。

图4为对中间金属电极片接地，两端金属电极片分别施加电量相等的高电压和低电压时，换能元件的工作原理图。

图5、图6为对中间金属电极片接高电压，前端或后端金属电极片接低电压时，换能元件的工作原理图。

其中，图3—图6中，箭头方向为换能元件振动方向图。

图中：1—管道，2—换能元件，3—金属电极片，4—去耦层，5—灌封层，6—进液管，7—出液管，8—匹配层，9—背衬层。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种超声波流量计的超声换能器结构，包括两端封闭的管道1，在管道1的两端分别开设有一凹槽，所述凹槽的轴心线与管道1的轴心线重合。在凹槽内沿其轴向设有两层换能元件2以及三层金属电极片3，所述换能元件2是由能够实现机电转换的功能材料制作的元件，主要实现电学与声学之间的能量转换，并能够工作在径向及轴向振动模态；所述金属电极片3为换能元件2上蒸镀的金、银、铜等金属层，或者由铜箔等金属制作的片状结构。其中，换能元件2与金属电极片3交替分布并紧贴在一起，三层金属电极片3分别与一导线相连。在换能元件2和金属电极片3外侧设有绕换能元件2和金属电极片3一周的去耦层4；所述去耦层4为软木橡胶等材料，主要起去耦、吸声以及将换能元件2和金属电极片3换能元件2和金属电极片3定位的作用。所述换能元件2、金属电极片3以及去耦层4由灌封层5密封在凹槽内，该灌封层5采用环氧树脂；从而将换能元件2、金属电极片3以及去耦层4固定，并保证气密性，主要起防水作用。

近凹槽底部的金属电极片3与凹槽底部之间设有匹配层8，所述匹配层8将金属电极片3与凹槽底部隔离；所述匹配层8为具有特定声阻抗的绝缘材料，在结构中起声匹配及绝缘的作用。在远离凹槽底部的金属电极片3上设有背衬层9，所述背衬层9将金属电极片3覆盖；所述背衬层9为由各种吸声泡沫材料或有机聚合物与金属粉末组成的固体混合物，主要起吸声及防护作用。

在管道1的侧壁上设有进液管6和出液管7，所述进液管6和出液管7分布靠近管道1的两端，以将流体进行引入和引出，从而进行流量测量。所述进液管6和出液管7分别位于管道1相对的两侧，且进液管6和出液管7的一端与管道1相连通，另一端朝相反的反向倾斜；使用更加方便。

参见图3，使用时，根据需要将管道1一端的三根导线与驱动电路相连，另一端的三根导线对应与电压检测电路相连后接入解算模块；通过采用不同的加电方式，能够实现多种工作方式，从而实现多种模式的工作方式：

在发射端：

1）参见图3，中间金属电极片3接高电压，两端金属电极片3接低电压，此时，两层换能元件2实现朝相反反向轴向（扩张）振动，推动与换能元件2相连接的结构件发生振动，进而实现声发射。

2）参见图4，中间金属电极片3接地，两端金属电极片3分别施加电量相等的高电压和低电压，这样，两层换能元件2实现一层扩张一层收缩，可实现谐振频率加倍，并且后端换能元件2的反相振动可在一定程度上抵消前端换能元件2的后端发射，从而削弱后端的回波干扰。

3）参见图5和图6，将中间金属电极片3接高电压，前端金属电极片3接正电压，后端金属电极片3置空，或后端金属电极片3接正电压前端金属电极片3置空，实现前端单独工作或后端单独工作，通过这种方式可进一步调节整体谐振频率，增加结构的工作模式。

在接收端：

对应上述各种连接方式，接收状态时，针对当前结构的特点，需要将两层换能元件2的接收信号进行反相叠加。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种超声波流量计的超声换能器结构，其特征在于：包括两端封闭的管道，在管道的两端分别开设有一凹槽，所述凹槽的轴心线与管道的轴心线重合；在凹槽内沿其轴向设有两层换能元件以及三层金属电极片，其中，换能元件与金属电极片交替分布并紧贴在一起，三层金属电极片分别与一导线相连；在换能元件和金属电极片外侧设有绕换能元件和金属电极片一周的去耦层；所述换能元件、金属电极片以及去耦层由灌封层密封在凹槽内；

在管道的侧壁上设有进液管和出液管，所述进液管和出液管分布靠近管道的两端。

2.根据权利要求1所述的一种超声波流量计的超声换能器结构，其特征在于：在靠近凹槽底部的金属电极片与凹槽底部之间设有匹配层，所述匹配层将金属电极片与凹槽底部隔离；在远离凹槽底部的金属电极片上设有背衬层，所述背衬层将金属电极片覆盖。

3.根据权利要求1所述的一种超声波流量计的超声换能器结构，其特征在于：所述进液管和出液管分别位于管道相对的两侧，且进液管和出液管的一端与管道相连通，另一端朝相反的反向倾斜。