CN105300463A - 超声波换能器的选取方法、选取系统及超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波换能器的选取方法、选取系统及超声波流量计。从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器，测试两个所述超声波换能器的谐振频率，计算谐振频率偏差率，判断所述偏差率是否在预设的阈值范围内。这样选取的两个配对使用的超声波换能器的谐振频率的偏差量小，超声波流量计的测量约稳定性能。

Description

超声波换能器的选取方法、选取系统及超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量计的技术领域,尤其是指超声波换能器的选取方法、选取系统及安装有通过此方法选取的超声波换能器的超声波流量计。

背景技术

超声波流量计是以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理的。在超声波流量计中，过大的静态时间差会降低流量计的测量性能。而产生静态时间差的原因主要在于配对使用的两个换能器的谐振频率偏差较大。由于换能器涉及多个基础及交叉学科，且制造工序复杂。现有技术中，基本采用的方案是要求换能器厂家控制好产品的批次一致性，保证流量计配对使用的两只换能器性能参数接近，尽量避免流量计静态时间差偏大的问题出现。由于换能器厂家生产工艺的批次差异性必然存在，无法保证每批次换能器的性能参数高度一致。如果流量计上配对使用的两只换能器性能差异较大，则会产生较大的静态时间差，严重影响流量计整机测量性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单又高效的超声波换能器的选取方法，以保证超声波流量计具有较小的静态时间差，进而保证测量性能的稳定。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超声波换能器的选取方法，包括如下步骤：

S1：从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

S2：分别测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

S3：根据谐振频率fs1和fs2计算偏差率Δt；

S4：如果所述偏差率在预设的阈值范围内，则选用S1中的两个超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，重复步骤S1。

本发明的有益效果是：本方法选取的两个配对使用的超声波换能器的谐振频率的偏差量小，根据公式(4)可以推导出，静态时间差Δt越小；这样超声波流量计的测量约稳定性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述S3包括：

根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

进一步，所述S2还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

优选的，预设的阈值范围为0-1％。。

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单又高效的超声波换能器的选取系统，以保证超声波流量计具有较小的静态时间差，进而保证测量性能的稳定。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超声波换能器的选取系统，包括：

选取模块，用于从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

测试模块，用于测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

计算模块，用于计算谐振频率fs1和fs2偏差率Δt；

判断模块，用于判断所述偏差率是否在预设的阈值范围内，如果偏差率在预设的阈值范围内，则选用所述选取模块中选取的两个所述超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，则再从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器直至偏差率在预设的阈值范围内。

本发明的有益效果是：本技术方案公开的一种声波换能器的选取系统与上述一种超声波换能器的选取方法所起到的效果相同，因此不再赘述。

进一步，所述计算模块包括：

根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

进一步，所述测试模块还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

优选的，所述预设的阈值范围为0-1％。

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量性能稳定的超声波流量计。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超声波流量计，所述超声波流量计内设置有上述任一技术方案所述的超声波换能器。

本发明的有益效果是：本技术方案公开的一种超声波流量计与上述一种超声波换能器的选取方法所起到的效果相同，因此不再赘述。

附图说明

图1为本发明一种超声波换能器的选取方法流程图；

图2为本发明一种超声波换能器的选取系统示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、选取模块，2、测试模块，3、计算模块，4、判断模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种超声波换能器的选取方法，包括如下步骤：

S1：从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

S2：分别测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

S3：根据谐振频率fs1和fs2计算偏差率Δt；

S4：如果所述偏差率在预设的阈值范围内，则选用S1中的两个超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，重复步骤S1。

通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度(c_f)和流体轴向平均流速(v_m)在声波传播方向上的分量组成。如图1所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系由公式(1)和公式(2)可知：

$t_{down}=t_{AB}=\frac{L}{(c_{f1}+v_{m}cos\mathrm{\φ})}---\left(1\right)$

$t_{up}=t_{BA}=\frac{L}{(c_{f2}-v_{m}cos\mathrm{\φ})}---\left(2\right)$

其中，t_up为声波在流体中逆流传播时间，t_down为声波在流体中顺流传播时间，

L为声道长度，c_f1为换能器A发出超声波在静止流体中的传播速度，c_f2为换能器B发出超声波在静止流体中的传播速度，v_m为流体的轴线平均速度，φ为声道夹角。

理想情况下，当超声流量计管道内的介质流速v_m为0时，声波在流体中逆流传播时间t_up应该与声波在流体中顺流传播时间t_down相等，差值Δt等于0。但在实际开发、应用过程中，此时间差值却不等于0，而是有一定的数值，此数值就是静态时间差。

由公式(1)和公式(2)可得：

$\mathrm{\Δ}t=t_{down}-t_{up}=\frac{L}{c_{f1}}-\frac{L}{c_{f2}}---\left(3\right)$

当管道内的介质流速v_m为0时，式(3)可化简为：

$\mathrm{\Δ}t=t_{up}-t_{down}=\frac{L}{(c_{f1}-v_{m}cos\mathrm{\φ})}-\frac{L}{(c_{f2}+v_{m}cos\mathrm{\φ})}---\left(4\right)$

对于超声波流量流量计来说，其声程L是一个定值。所以，当介质流速v_m等于0时，时间差Δt不等于0的唯一原因只能是c_f1≠c_f2。那么又是什么原因导致了c_f1≠c_f2呢？

理论上讲，被测介质是混合物，是一种色散介质，不同频率的声波在其中的传播速度是不相等的。当换能器A发出超声波频率不等于换能器B发出超声波频率时，就会导致c_f1≠c_f2。而超声波流量计是典型的检测超声应用案例，其换能器是工作在串联谐振频率fs上的。又由其振动特性可知，超声波换能器发射的超声波频率就等于其自身的谐振频率fs。如果超声波流量计上配对使用的两只换能器的串联谐振频率fs不相等，则流量计静态时间差就不为0，串联谐振频率fs相差越大，静态时间差就越大。

因此，为尽量减小超声波流量计的静态时间差，就必须对其配对使用的两只换能器的串联谐振频率fs进行正确匹配。

在实际应用中，所述S3包括：根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

在进行测试时，S2还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

为了更好的保证超声波流量计的性能稳定性，预设的阈值范围为0-1％。

如图2所示，一种超声波换能器的选取系统，包括：

选取模块1，用于从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

测试模块2，用于测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

计算模块3，用于计算谐振频率fs1和fs2偏差率Δt；

判断模块4，用于判断所述偏差率是否在预设的阈值范围内，如果偏差率在预设的阈值范围内，则选用所述选取模块中选取的两个所述超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，则再从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器直至偏差率在预设的阈值范围内。

在实际应用中，所述计算模块包括：根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

测试模块2还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

为了更好的保证超声波流量计的性能稳定性，所述预设的阈值范围为0-1％。

一种超声波流量计，所述超声波流量计内设置有上述任一技术方案所述的超声波换能器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声波换能器的选取方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

S2：分别测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

S3：根据谐振频率fs1和fs2计算偏差率Δt；

S4：如果所述偏差率在预设的阈值范围内，则选用S1中的两个超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，重复S1。

2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器的选取方法，其特征在于：所述S3包括：

根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

3.根据权利要求1所述的一种超声波换能器的选取方法，其特征在于：所述S2还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

4.根据权利要求1所述的一种超声波换能器的选取方法，其特征在于：所述预设的阈值范围为0-1％。

5.一种超声波换能器的选取系统，其特征在于：包括：

选取模块，用于从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器；

测试模块，用于测试两个所述超声波换能器的谐振频率fs1和fs2；

计算模块，用于计算根谐振频率fs1和fs2偏差率Δt；

判断模块，用于判断所述偏差率是否在预设的阈值范围内，如果偏差率在预设的阈值范围内，则选用所述选取模块中选取的两个所述超声波换能器安装于超声波流量计内；如果偏差率不在预设的阈值范围内，则再从多个超声波换能器中选取两个超声波换能器直至偏差率在预设的阈值范围内。

6.根据权利要求5所述的一种超声波换能器的选取系统，其特征在于：所述计算模块包括：

根据下式计算所述偏差率；

Δt＝(fs1-fs2)/fs；

其中，Δt为偏差率，fs1为第一个超声波换能器的谐振频率，fs2为第二个超声波换能器的谐振频率，fs为fa1和fs2中较大的一个。

7.根据权利要求5所述的一种超声波换能器的选取系统，其特征在于：所述测试模块还包括阻抗分析仪，所述谐振频率由所述阻抗分析仪测试得出。

8.根据权利要求5所述的一种超声波换能器的选取系统，其特征在于：所述预设的阈值范围为0-1％。

9.一种超声波流量计，所述超声波流量计内设置有如权利要求1至8任一所述的超声波换能器。