CN105300462A - 超声波换能器安装结构及超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波换能器安装结构及超声波流量计，所述流量计包括上游管路、上游换能器安装结构、测量管路、下游换能器安装结构和下游管路；所述安装结构包括结构本体和超声波换能器，其中所述结构本体包括第一安接口、第二安接口及流体通道，所述第一安接口用于安接测量管路，所述第二安接口用于安接上游管路或者下游管路，所述流体通道形成于所述结构本体内部并设置于所述第一安接口和第二安接口之间，在所述结构本体的相对于所述第一安接口的端侧还安装有所述超声波换能器，所述超声波换能器的发射面正对所述第一安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于所述流体通道和所述测量管路的横截面进入所述测量管路的流体内部。

Description

超声波换能器安装结构及超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量计量仪表领域，特别涉及一种超声波换能器在超声波流量计中的安装结构。

背景技术

超声波流量计是通过测量超声波在流体中的顺流和逆流时间差异，计算获得流体流速的一种计量仪表。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。此外超声波流量计还是一种非接触测量仪器，对测量管路不会产生压力损失，对测量介质没有要求，可测量各种气体和液体介质的流速。以上特点使超声波流量计获得了广泛的应用，在工业、农业、医疗、石油等各种领域都可以见到超声波流量计的众多应用。

目前的超声波流量计结构多采用外夹式安装结构，将超声波换能器通过夹具等安装结构固定在待测量的管路的上、下外表面，然后通过调整发射和接收换能器的安装位置和角度，使得两个超声波换能器在管路内部建立一个互相发射和接收的超声波通道。为获得精确的测量结果，超声波换能器往往被布置成沿着测量管路上、下外表面呈对角线布局的方式以增加超声波传输的距离。此外，为提高测量精度，还需要在超声波发射面、接收面和测量管路面之间进行填充贴合，由于外夹式安装结构的流量计测量通常不是长期测量，因而通常会采用对管道无腐蚀作用的耦合剂进行填充贴合。外夹式安装机构具有不破坏管路结构的优点，因而特别适合短期的一次性测量。然而其具有如下缺点：这种安装结构需要调整调整发射和接收换能器的安装位置和角度，对安装人员的专业技能要求较高；超声波以斜波的方式进入管路时，会分解成沿测量管路面和垂直于测量管路面的两个分量，使接收到超声波的能量衰减；超声波在管路中多次折射，信号损失大；耦合剂随时间变性失效使其不适合长期使用，并且使用结束后需要对耦合剂进行清理。

此外，小管径管路(直径通常为10mm以下)经常应用于航空航天、医疗卫生、科学实验等领域，由于小管径管路的内径过小，采用外夹式安装结构的超声波流量计即便采取对角线布局的方式也难以获得满足测量要求的较长的超声波传播距离，而超声波传播距离过短会极大的影响超声波流量计的测量精度，因而外夹式安装结构的超声波流量计不适于小管径管路的流体流量测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声波换能器安装结构及超声波流量计，能够根据需要调节超声波传播距离满足测量精度要求，从而有效的解决了传统外夹式安装结构无法测量小管径管路的流体流量的问题。

进一步的，能够避免耦合剂的使用并实现人员免安装的功能。

进一步的，能够将结构本体直接作为换能器的外壳，减少一层传播介质，有效提高了超声波的传播强度，提高信噪比。

进一步的，能够实现超声波垂直进入流体内部，避免了在测量管路面的能量分解和折射损耗，有效提高了超声波的传播强度，提高信噪比。

进一步的，能够实现换能器安装结构与流量计的稳固安装，对于航空航天等使用环境比较恶劣的应用，能够有效的保证流量计长期稳定工作。

进一步的，能够实现不同口径的测量管路的流体流量测量，提高了流量计测量的适应性。

本发明包括如下技术方案：

一种超声波换能器安装结构，包括结构本体和超声波换能器，其中所述结构本体包括第一安接口、第二安接口及流体通道，所述第一安接口用于安接测量管路，所述第二安接口用于安接上游管路或者下游管路，所述流体通道形成于所述结构本体内部并设置于所述第一安接口和第二安接口之间，在所述结构本体的相对于所述第一安接口及沿所述第一安接口侧的流体通道延伸方向的端侧还安装有所述超声波换能器，所述超声波换能器的发射面正对所述第一安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于所述流体通道和所述测量管路的横截面进入所述测量管路的流体内部。

进一步的，所述端侧设置有一容置腔，用于容置所述超声波换能器，使得所述超声波换能器不通过活动连接部件而直接内置于所述结构本体内，所述结构本体作为所述超声波换能器的外壳。

进一步的，所述测量管路的长度为100-200mm。

进一步的，所述流体通道是两条相交且呈一夹角的圆柱通道。

进一步的，所述夹角为120°～140°。

进一步的，所述结构本体上设置有安装孔。

进一步的，所述结构本体的材料选自钛合金、不锈钢、尼龙或有机玻璃。

进一步的，所述第一安接口与所述测量管路以及第二安接口与所述上游管路或下游管路之间通过焊接方式连接或通过可更换的方式连接。

一种超声波流量计，包括上游管路、上游换能器安装结构、测量管路、下游换能器安装结构和下游管路，其特征在于所述上游换能器安装结构和下游换能器安装结构为上述的超声波换能器安装结构。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明实现了小管径的高精度测量。换能器安装结构将超声波的传播路径设计成与流体流动方向一致，最大化的延长了超声波的传播距离，进而提高超声波传播时间的测量精度和流量计的测量精度。并可通过调整流量计中间测量管路的长度，灵活的调整超声波的传播距离，以适应不同声学阻抗的流体。

(2)本发明进一步将超声波换能器和换能器安装结构设计为一体，将安装结构作为换能器的外壳进行固定连接，从而避免了耦合剂的使用，使得流量计可以长期工作且不需要对耦合剂进行维护。同时省去了换能器原有的外壳，减少了一层传播介质，可以大大提高超声波在流体中的传播强度，提高信噪比。

(3)本发明进一步将换能器直接内置于安装结构内，整个安装结构无活动部件，提高了流量计的可靠性。相比外夹式安装结构，换能器内置式流量计只需将其整体接入被测量管路，不需要调整换能器位置和方向，降低了对用户的专业技能要求，更友好和易用。

(4)本发明进一步使超声波换能器的发射面正对测量管路的安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于流体通道和测量管路的横截面进入测量管路的流体内部，避免了在测量管路面能量分解和折射损耗，提高了超声波的传输能量，有效提高流量测量的准确性。

(5)本发明进一步在换能器安装结构上设有安装孔，对于航空航天等使用环境比较恶劣的应用，安装孔的固定可以减小超声波换能器的震动，保证流量计长期稳定工作。

(6)本发明进一步通过更换不同管径和接口形式的上游管路、测量管路和下游管路，可以适应多种管路的测量需要，提高了换能器内置式超声波流量计的应用范围。

附图说明

图1为本发明为采用超声波换能器安装结构的超声波流量计结构示意图；

图2为本发明中采用内置式安装结构的超声波换能器安装结构示意图；

图3为本发明中采用内置式安装结构的超声波换能器结构示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

具有超声波换能器安装结构的超声波流量计(如图1所示)，包括上游管路1、上游换能器安装结构2、测量管路3、下游换能器安装结构4和下游管路5。对于单一管路应用场合长期使用的情况，这5个部件之间通过焊接方式连接，以保证流量计的密封性和稳固性；而对于需要不断更换管路应用场合的情况，这5个部件之间可以通过如螺纹、卡接等可更换方式进行连接，以方便更换测量管路和上下游管路。测量时，整个流量计作为一个整体接入被测量管路内部。

测量管路的长度优选为100-200mm，本发明经研究发现中间测量管路的长度过短时，超声波传输距离过短从而影响测量精度；长度过长时，则对测量管路的安装稳固性提出更高要求并增加了超声波传输的能量损耗。

换能器安装结构，由结构本体和超声波换能器两部分组成。结构本体可以使用钛合金、不锈钢、尼龙或有机玻璃等材料制成。在所述结构本体的相对于测量管路安接口的端侧安装所述超声波换能器，超声波换能器可以采用外置式安装结构或内置式安装结构，无论采用外置式安装结构还是内置式安装结构，超声波换能器均设置在所述结构本体的相对于所述第一安接口的端侧，且其发射面均正对所述第一安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于所述流体通道和所述测量管路的横截面进入所述测量管路的流体内部。

图2为本发明中采用内置式安装结构的超声波换能器安装结构示意图，内置式换能器安装结构，由结构本体9和超声波换能器11两部分组成，所述结构本体包括第一安接口6、第二安接口7及流体通道8，所述第一安接口6用于安接测量管路3，所述第二安接口7用于安接上游管路1或者下游管路5，所述流体通道8形成于所述结构本体内部并设置于所述第一安接口6和第二安接口7之间。在所述结构本体9的相对于所述第一安接口6及沿第一安接口侧的流体通道延伸方向的端侧设置有一容置腔，用于容置所述超声波换能器11，所述超声波换能器11不通过活动连接部件而直接内置于所述结构本体9内，所述结构本体9作为所述超声波换能器的外壳。

所述流体通道8优选是两条相交且夹角为120°-140°的圆柱通道，用于流体流动和超声波传播。本发明经研究发现，如果圆柱通道夹角小于120°，则存在以下两个问题：1)圆柱通道交叉处液体流场变化大影响超声波传播稳定性2)流量计结构不便于流体系统管路布局；如果圆柱通道夹角大于140°，则存在以下两个问题：1)圆柱通道与换能器内置安装腔结构存在干涉，若调整结构避免干涉则使得安装腔管壁增厚，造成超声波传播衰减2)圆柱通道交叉处液体流场影响流量测量；120°-140°的夹角设计经过仿真和试验验证，可以获得均匀的流场分布，其中所述夹角更优选为135°。

每个超声波流量计需配置两个换能器安装结构，两个换能器安装结构分别用于安装上游换能器和下游换能器，这两个换能器安装结构的设计左右对称。每个换能器安装结构上有两个安装孔10，用于固定流量计。

图3为本发明中采用内置式安装结构的超声波换能器结构示意图，超声波换能器安装于结构本体内部，即结构本体作为换能器的外壳。换能器包括压电晶片14、电极13、15、匹配层12和背衬16。根据流体性质的不同，压电晶片可以采用PZT多晶压电陶瓷、1-3型复合材料等。在压电晶片两侧的电极施加频率为0.59-4MHz的脉冲电压，即可产生超声波。脉冲电压需根据压电晶片性质并经过试验确定，以同时保证超声波信号强度和控制流量计功耗，通常为5-30V。上游换能器和下游换能器交替作为发射换能器和接收换能器，测量超声波在流体中的顺流时间和逆流时间。匹配层的作用是匹配压电晶片和换能器安装结构之间的声学阻抗，以获得最佳的超声波发射强度。背衬为压电晶片背面粘接的高阻抗、高衰减性吸声材料，其目的是吸收压电晶片背面辐射的杂波。换能器的电极引线可以根据需要安装接插件，或者直接连接处理电路。

实施例

参见图1、2，一种超声波流量计，包括上游管路1、上游换能器安装结构2、测量管路3、下游换能器安装结构4和下游管路5，结构本体材料为钛合金，测量管路的内径为10mm，这5个部件通过插接焊接方式连接，测量管路长度为150mm。

上游换能器安装结构2和下游换能器安装结构4均包括结构本体和超声波换能器，其中所述结构本体包括第一安接口、第二安接口及流体通道，所述第一安接口用于安接测量管路3，所述第二安接口用于安接上游管路1或者下游管路5，所述流体通道形成于所述结构本体内部并设置于所述第一安接口和第二安接口之间，是两条相交且夹角为135°的圆柱通道，所述圆柱通道的直径为10mm。在所述结构本体的相对于所述第一安接口及沿第一安接口侧的流体通道延伸方向的端侧设置有一容置腔，用于容置所述超声波换能器，所述超声波换能器不通过活动连接部件而直接内置于所述结构本体内，所述结构本体作为所述超声波换能器的外壳，所述超声波换能器的发射面正对所述第一安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于所述流体通道和所述测量管路的横截面进入所述测量管路的流体内部。

每个换能器安装结构在结构本体的上下两侧设有两个Φ4mm安装孔，用于固定流量计。

所述超声波换能器包括压电晶片14、电极13、15、匹配层12和背衬16，从所述超声波的发射面起依次为匹配层12、电极13、压电晶片14、电极15和背衬16，其中压电晶片14采用PZT-4材料，匹配层12为钛合金薄片，背衬16为掺入了空心玻璃微珠等非金属颗粒的环氧树脂，在压电晶片14两侧的电极13、15施加频率为1MHz、幅值为20V的脉冲电压以可产生超声波信号，换能器的电极引线通过安装接插件引出。上游换能器安装结构2中的超声波换能器和下游换能器安装结构4中的超声波换能器交替作为发射换能器和接收换能器，测量超声波在流体中的顺流传播时间和逆流传播时间。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种超声波换能器安装结构，包括结构本体和超声波换能器，其中所述结构本体包括第一安接口、第二安接口及流体通道，所述第一安接口用于安接测量管路，所述第二安接口用于安接上游管路或者下游管路，所述流体通道形成于所述结构本体内部并设置于所述第一安接口和第二安接口之间，在所述结构本体的相对于所述第一安接口及沿所述第一安接口侧的流体通道延伸方向的端侧还安装有所述超声波换能器，所述超声波换能器的发射面正对所述第一安接口，使得超声波换能器发出的超声波垂直于所述流体通道和所述测量管路的横截面进入所述测量管路的流体内部。

2.如权利要求1所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述端侧设置有一容置腔，用于容置所述超声波换能器，使得所述超声波换能器不通过活动连接部件而直接内置于所述结构本体内，所述结构本体作为所述超声波换能器的外壳。

3.如权利要求1或2所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述测量管路的长度为100-200mm。

4.如权利要求1或2所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述流体通道是两条相交且呈一夹角的圆柱通道。

5.如权利要求4所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述夹角为120°～140°。

6.如权利要求1或2所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述结构本体上设置有安装孔。

7.如权利要求1所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述结构本体的材料选自钛合金、不锈钢、尼龙或有机玻璃。

8.如权利要求1所述的超声波换能器安装结构，其特征在于：所述第一安接口与所述测量管路以及第二安接口与所述上游管路或下游管路之间通过焊接方式连接或通过可更换的方式连接。

9.一种超声波流量计，包括上游管路、上游换能器安装结构、测量管路、下游换能器安装结构和下游管路，其特征在于所述上游换能器安装结构和下游换能器安装结构为权利要求1-8中任一所述的超声波换能器安装结构。