CN106092230A - 一种双声程换能器超声波燃气表 - Google Patents

Abstract

一种双声程换能器超声波燃气表，包括壳体，壳体上开设第一透槽和第二透槽，壳体内安装第一管道和第二管道，壳体上安装显示屏，第一管道和第二管道一端分别穿过第一透槽和第二透槽位于壳体外侧，第一管道和第二管道另一端分别与流体屏蔽管连通，流体屏蔽管的一端安装第一换能器，另一端安装第二换能器，第一换能器或第二换能器有一个外壳，外壳上设置环形凸台，环形凸台上开设圆形槽，环形凸台外壁处开设环形安装槽，环形安装槽内安装环形辅压电片。它能够利用主、辅压电片的声程差准确测量得到介质静止声速，因此能够准确测量得到介质的流速，从而提高了超声波燃气表的测量准确度。

Description

一种双声程换能器超声波燃气表

技术领域

本发明涉及燃气表，是一种双声程换能器超声波燃气表。

背景技术

目前燃气表在城市及工业生产中应用极为广泛，所有燃气表均采用单晶片或单压电片的换能器测量气体流量。由于燃气组份、压力、温度随时发生变化，因此，介质的静止声速极难获得，而准确获得介质的静止声速是准确测量气体流量的必备条件。市场上普遍使用的单晶片超声燃气表获得介质声速的方法是通过提高超声波的发射功率以提高接收首波的幅度，对接收信号采用高速ADC采样，然后从接收的波形中估算出声超波的传播时间，然后再进一步计算出声速。这种燃气表结构的不足是，发射电压高，功耗较大，安全性较低，高速ADC的价格昂贵，另外，CPU处理时必须要求在短时间内完成， 对CPU的性能要求较高，小流量测量误差较大，Qmin误差一般在3%-5%左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种双声程换能器超声波燃气表，它在流速屏蔽管内采用双压电片，在介质中产生双声程，主、辅压电片之间存在固定的声程差，用声程差进行声速测量，从而达到精确测量介质静止声速的目的，以解决现有技术的不足。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案：一种双声程换能器超声波燃气表，包括壳体，壳体上开设第一透槽和第二透槽，壳体内安装第一管道和第二管道，壳体上安装显示屏，第一管道和第二管道一端分别穿过第一透槽和第二透槽位于壳体外侧，第一管道和第二管道另一端分别与流体屏蔽管连通，流体屏蔽管的一端安装第一换能器，另一端安装第二换能器，第一换能器或第二换能器有一个外壳，外壳上设置环形凸台，环形凸台上开设圆形槽，环形凸台外壁处开设环形安装槽，环形安装槽内安装环形辅压电片，环形辅压电片的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层，圆形槽内安装圆形主压电片，圆形主压电片的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层，环形辅压电片的内径大于圆形主压电片的直径，圆形主压电片与环形辅压电片在垂直方向设置固定距离，环形凸台中部开设第一引线孔，第一引线孔内设置第一导线，第一导线穿过外壳位于外壳外部，外壳下部填充封胶层。第一管道或第二管道上安装深度测量仪和压力测量仪。壳体由前壳体和后壳体组成，前壳体和后壳体以壳体长度方向中部分界。环形凸台的上边沿高于外壳的上边沿，环形凸台上部外表面为圆锥面。所述圆锥面的底端与外壳的上边沿位于同一平面内。环形安装槽内开设第二引线孔，第二引线孔内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层位于外壳外部。所述圆形主压电片和环形辅压电片均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。圆形主压电片的中心线与环形辅压电片的中心线为同一中心线。主压电密封声阻抗匹配层的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层间设置固定距离。圆形主压电片是圆饼形，环形辅压电片是环饼形，圆形主压电片和环形辅压电片平行同轴安装。

本发明的优点在于：在流速屏蔽管内安装圆形主压电片、环形辅压电片两个压电片，在使用时使被测介质内产生两个声程，用两个声程间的声程差测量介质静止声速，从而测量气体流量。本发明所述的带有圆形主压电片和环形辅压电片两个压电片的换能器结构，能在声的传播方向上相差一个固定距离，这个距离在介质最短声波波长的（N+x）倍，最佳设计是N=0，x=0.6至0.8之间，也就是在一个波长内。，流速屏蔽管0的区域，两个换能器之间由于主、辅压电片的存在，会形成两个声程，主声程的长度小于辅声程的长度，在同一个换能器上的主、辅压电片之间的声波差程中，由于流速屏蔽管的作用，在声波差程中介质流速为0，通过测量主、辅压电片接收到的信号相位时间差，就可以根据主、辅声程差计算出准确的声速，由于在这段差程中介质流速为0，因此测量得到的声速就是介质静止声速。由于本发明能够利用主、辅压电片的声程差准确测量得到介质静止声速，因此能够准确测量得到介质的流速，从而提高了超声波燃气表的测量准确度。

本发明的燃气表在流体屏蔽管道内安装两个换能器，当其中一个换能器的圆形主压电片发射超声波时，另一个换能器的圆形主压电片先接收到超声波信号，然后环形辅压电片再接收到信号，这样，另一个换能器的圆形主压电片和环形辅压电片之间产生一个声程差，接收到的信号之间有一个时间差。圆形主压电片、环形辅压电片的信号通过“过零”整形后，用鉴相器可以精确测量到该时间差，然后再根据圆形主压电片、环形辅压电片的声程差算出介质的声速，由于换能器的圆形主压电片和环形辅压电片间的介质流速为零，测量到的声速就是介质静止时的声速。目前的脉冲扩展的数字鉴相器的精度可以做到0.1ns-0.3ns，当圆形主压电片、环形辅压电片的声程差为2mm时，声速的测量精度可达到0.01-0.05m/s。经检测，本发明的超声波燃气表的流量测量误差为0.1%-0.4%。本发明所述的燃气表内仅需24V以内的发射电压，使用安全性高，功耗低，涉及的电路工作电压范围在高压CMOS范围内，易于实现超声波燃气表专用处理电路的集成化，对CPU要求低，能够对接收信号全部采用“过零”比较，然后进行脉冲扩展鉴相实现时间差的测量，电路处理简单，制造成本低等。

附图说明

附图1是本发明所述燃气表的结构示意图；附图2是图1中A-A剖视结构示意图；附图3是图1的俯视结构示意图；附图4是图3中B-B剖视结构示意图；附图5是本发明实施例之二结构示意图，主要示意流速屏蔽管的位置及换能器的位置，图中31是连接管；附图6是换能器的结构示意图；附图7是图6的俯视结构示意图。

具体实施方式

对照附图对本发明做进一步说明。

本发明所述的一种双声程换能器超声波燃气表，包括壳体1，其特征在于：壳体1上开设第一透槽5和第二透槽6，壳体1内安装第一管道7和第二管道8，壳体1上安装显示屏9，第一管道7和第二管道8一端分别穿过第一透槽5和第二透槽6位于壳体1外侧，第一管道7和第二管道8另一端分别与流体屏蔽管11连通，流体屏蔽管11的一端安装第一换能器12，另一端安装第二换能器13，第一换能器12或第二换能器13有一个外壳19，外壳19上设置环形凸台2，环形凸台2上开设圆形槽22，环形凸台2外壁处开设环形安装槽21，环形安装槽21内安装环形辅压电片23，环形辅压电片23的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层24，圆形槽22内安装圆形主压电片25，圆形主压电片25的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层26，环形辅压电片23的内径大于圆形主压电片25的直径，圆形主压电片25与环形辅压电片23在垂直方向设置固定距离，环形凸台2中部开设第一引线孔28，第一引线孔28内设置第一导线3，第一导线3穿过外壳19位于外壳19外部，外壳19下部填充封胶层27。

本发明所述燃气表流速屏蔽管两端安装换能器，两个圆形主压电片间产生主声程，一个圆形主压电片和另一个环形辅压电片间产生辅声程，两个声程有一个声程差，声程差选择为介质最小声波波长的（N+x）倍，N取整数，x为0-1之间的小数，最佳选择N=0，x=0.6—0.8，通过电路板中鉴相器可以测出主辅压电片接收到信号的时间差t，然后用公式c=L/t就可以计算出介质的声速（t为主辅信号时间差，L为主辅压电片的声程差，c为声波速度），再通过CPU运算后从而检测出气体流量。本发明所述燃气表内安装的本发明的换能器置入流速屏蔽管内一端或两端，流速屏蔽管[A2] 本发明所述换能器的圆形主压电片信号可以采用“过零”整形，在[A3] 。由于本发明所述换能器可以对接收信号全部采用过零比较，然后再进行脉冲扩展鉴相实现时间差的测量，因此，可使电路设计简单化，并能达到精度高的要求。

本发明所述的第一管道7或第二管道8上安装温度测量仪16和压力测量仪17。

本发明所述的壳体1由前壳体和后壳体组成，前壳体和后壳体以壳体1长度方向中部分界。便于安装壳体内的各种部件。

本发明所述环形凸台2的上边沿高于外壳19的上边沿，环形凸台2上部外表面为圆锥面30，所述圆锥面30的底端与外壳19的上边沿位于同一平面内。本发明采用圆锥面30，用于减小对超声波的遮挡，提高环形辅助压电片接收信号的强度。

本发明进一步的方案是：环形安装槽21内开设第二引线孔29，第二引线孔29内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层27位于外壳19外部。

本发明优选的方案是：所述圆形主压电片25和环形辅压电片23均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。

本发明进一步的优选方案是：圆形主压电片25是圆饼形，环形辅压电片23是环饼形，圆形主压电片25和环形辅压电片23平行同轴安装，相互之间距离（N+x）倍介质最小声波波长，这种形状和安装方式使边角效应减至最小，使声波发射与接收对称均匀，进一步保证测量精度。

本发明所述圆形主压电片25的中心线与环形辅压电片23的中心线为同一中心线。它能进一步保证圆形主压电片25、环形辅压电片23两个压电片在空间上呈相互平行状态，产生的声程准确，并在声波传播方向上相差一个固定距离，进一步提高测量准确性。

本发明所述主压电密封声阻抗匹配层26的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层24间设置固定距离。这个距离是圆形主压电片和环形辅压电片之间的声程差，取波长的(N+x)倍，其中N取整数，x为0-1之间的小数，最佳方案是N=0，x取0.6-0.8。例如：假设超声波频率选择150KHZ，如果被测介质的最小波长为2.5mm，那么主辅声程差可以选择为：1.5 - 2mm。

本发明所述燃气表将两个本发明所述换能器分别安装在流速屏蔽管的两端，或者一端采用现有技术中的换能器，使换能器上的两圆形主压电片面向管道内侧，其中一侧换能器的圆形主压电片与对侧换能器的圆形主电片之间产生主声程，与环形辅压电片之间形成辅声程，主声程和辅声程之间存在声程差，也就是换能器上圆形主压片和环形辅压电片之间的距离差，采用测量圆形主压电片和环形辅压电片之间的信号时间差，然后再根据主、辅压电片之间的声程差计算出被测介质的静止声速，然后再根据两个换能器之间圆形主压电片之间测量得到沿介质流动方向正反传播的超声波时间差，再根据介质的静止声速算出介质流动速度，从而完成气体流量的测量。

附图中10为印制电路板、18为固定板、20为凹槽。

Claims (10)

1.一种双声程换能器超声波燃气表，包括壳体（1），其特征在于：壳体（1）上开设第一透槽（5）和第二透槽（6），壳体（1）内安装第一管道（7）和第二管道（8），壳体（1）上安装显示屏（9），第一管道（7）和第二管道（8）一端分别穿过第一透槽（5）和第二透槽（6）位于壳体（1）外侧，第一管道（7）和第二管道（8）另一端分别与流速屏蔽管（11）连通，流速屏蔽管（11）的一端安装第一换能器（12），另一端安装第二换能器（13），第一换能器（12）或第二换能器（13）有一个外壳（19），外壳（19）上设置环形凸台（2），环形凸台（2）上开设圆形槽（22），环形凸台（2）外壁处开设环形安装槽（21），环形安装槽（21）内安装环形辅压电片（23），环形辅压电片（23）的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层（24），圆形槽（22）内安装圆形主压电片（25），圆形主压电片（25）的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层（26），环形辅压电片（23）的内径大于圆形主压电片（25）的直径，圆形主压电片（25）与环形辅压电片23）在垂直方向设置固定距离，环形凸台2）中部开设第一引线孔28），第一引线孔（28）内设置第一导线（3），第一导线（3）穿过外壳（19）位于外壳（19）外部，外壳（19）下部填充封胶层（27）。

2.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：第一管道（7）或第二管道（8）上安装温度测量仪（16）和压力测量仪（17）。

3.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：壳体（1）由前壳体和后壳体组成，前壳体和后壳体以壳体1）长度方向中部分界。

4.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：环形凸台（2）的上边沿高于外壳（19）的上边沿，环形凸台（2）上部外表面为圆锥面（30）。

5.根据权利要求4所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：所述圆锥面（30）的底端与外壳（19）的上边沿位于同一平面内。

6.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：环形安装槽（21）内开设第二引线孔（29），第二引线孔（29）内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层（27）位于外壳（19）外部。

7.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：所述圆形主压电片（25）和环形辅压电片（23）均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：圆形主压电片（25）的中心线与环形辅压电片（23）的中心线为同一中心线。

9.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：主压电密封声阻抗匹配层（26）的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层（24）间设置固定距离。

10.根据权利要求1所述的一种双声程换能器超声波燃气表，其特征在于：圆形主压电片（25）是圆饼形，环形辅压电片（23）是环饼形，圆形主压电片（25）和环形辅压电片（23）平行同轴安装。