CN106556440B - 一种时差法超声波流量计 - Google Patents

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Abstract

一种时差法超声波流量计，涉及超声波流量计。提供不仅能提高超声波流量计数据采集率，还能改善数据采集同步性，提高测量精度的一种时差法超声波流量计设有超声波换能器、超声波接收器、管道；超声波换能器作为超声波发射器，超声波接收器设在超声波换能器两侧。超声波换能器设有锥形匹配层、绝缘胶、压电片、尾质量块、预应力螺钉和导线。压电片、锥形匹配层、尾质量块通过预应力螺钉连接。通过改变超声波流量计安装方式，将具有锥形匹配层的超声波换能器作为超声波发射器，使得顺流采样和逆流采样具有同步性，提高测量精度，并且可提高超声波流量计采样率。

Description

一种时差法超声波流量计
技术领域
本发明涉及超声波流量计，尤其是涉及一种时差法超声波流量计。
背景技术
超声波流量计作为一种无可动部件的非接触式流量测量仪器，因其具有高精度、大量程、宽带宽、高稳定性，测量过程对流体状态无任何影响等优点，逐渐广泛代替传统机械式流量计。在基于时差法超声波流量计中，在传统Z型测量中，当流体以速度u流动时，超声波的实际传播速度c是声速c0和流体在超声速度分量ucosθ的叠加，超声波顺流和逆流就会有时间差，从而根据时间差和流速的关系结合管道直径，检测出流量大小。传统超声波流量计中，超声波换能器既作为超声发射器，又作为超声波接收器，处于间断性采样状态，数据采集率低(参见中国专利CN102261937A，一种高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法)。而且在采样过程中，由于顺流采样和逆流采样并不同时，会因流量波动产生较大误差。由于结构误差、电路延迟等原因会造成两个超声波换能器很难达到同步，并且整个流量计的成本会因换能器个数增多而增加。
在超声波接收方面，传统压电式超声波换能器存在能量转换率低、成本高、带宽窄且不能IC集成等缺点，会使得流量计性能大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供不仅能提高超声波流量计数据采集率，还能改善数据采集同步性，提高测量精度的一种时差法超声波流量计。
本发明设有超声波换能器、超声波接收器、管道；超声波换能器作为超声波发射器，超声波接收器设在超声波换能器两侧。
超声波换能器设有锥形匹配层、绝缘胶、压电片、尾质量块、预应力螺钉和导线。
压电片、锥形匹配层、尾质量块通过预应力螺钉连接。
所述超声波接收器可采用顺流超声波接收器和逆流超声波接收器，顺流超声波接收器和逆流超声波接收器可以是单通道压电式超声波接收器或圆周分布的多通道阵列MEMS电容式超声波接收器。
所述多通道阵列MEMS电容式超声波接收器设有上电极、下电极、谐振膜、衬底；上电极距离和下电极距离可根据实际情况改变。
所述锥形匹配层的形状可以是圆锥形、金字塔形、平顶圆锥形、平顶金字塔形或者其他多面体锥形。
所述压电片、锥形匹配层、尾质量块可以通过高硬度胶水连接。
锥形匹配层的倾角可根据实际情况改变。
本发明的具有锥形匹配层的超声波换能器安装在流量计中间作为超声波发生器，超声波换能器两边安装超声波接收器同时接收超声波信号。具有锥形匹配层的超声波换能器能在多个方向实现超声波能量的聚集，提高能量使用率。并且由于集束性，使得超声波能传递到更远的地方，增加了换能器和接收器之间的安装距离，从而增大时间差，降低后端电路的要求。可采用阵列MEMS电容式换能器做超声波接收器，形成多通路检测通道，进一步提高测量精度。
本发明具有的有益效果是：
本发明和传统超声波流量计不同，通过改变超声波流量计安装方式，将具有锥形匹配层的超声波换能器作为超声波发射器，使得顺流采样和逆流采样具有同步性，提高测量精度，并且可提高超声波流量计采样率。
附图说明
图1为本发明超声波流量计压电器式检测的安装方式。
图2为本发明多通道阵列MEMS电容式检测安装示意图。
图3为单个MEMS电容换能器结构示意图。
图4为用预应力螺钉连接压电片和匹配层、尾质量块的超声波换能器示意图。
图5为用高硬度胶水连接压电片和匹配层、尾质量块的超声波换能器示意图。
图6为有限元仿真声场分布图。
具体实施方式
参见图1～6，本发明实施例所述时差法超声波流量计100，包括具有锥形匹配层的超声波换能器120、逆流超声波接收器110、顺流超声波接收器130、管道140。具有锥形匹配层的超声波换能器120只作为超声波发射器，在工作时连续发射超声波，而超声波接收器110、顺流超声波接收器130只作为超声波接收器，因此超声波流量计100发射和接收超声波能同时进行，和传统分时测量的超声波流量计相比，降低了在流量波动时测量时间不同时产生的误差，并且增加了数据采集率。
由于压电超声波换能器比电容式超声波换能器输出声压高，具有更强的发射功率，故超声波发射器采用压电式。具有锥形匹配层的超声波换能器120，包括锥形匹配层121、绝缘胶126、压电片122、尾质量块123、预应力螺钉124、导线125。和传统超声波换能器相比，本发明的超声波换能器具有锥形匹配层121，在某个频率段，压电片122带动匹配层121一起震动，会在锥形匹配层斜面128产生垂直于斜面的超声波束，能通过一个超声波换能器产生多束超声波，实现多个换能器才能实现的功能。
根据实际情况，超声波束可以是是两束也可以是多束，因此匹配层121可以是圆锥形、金字塔形、平顶圆锥形、平顶金字塔形或者其他多面体锥形。
通常压电片122和匹配层121、尾质量块123的连接是通过预应力螺钉124，也可通过高硬度胶水127。
换能器的功率设计、超声波传播方向跟测量管道直径有关，为了使得超声波换能器100的能量使用率最大化，可通过改变锥形匹配层的倾角β来实现。
对一般管道直径的流量测量可采用单通道压电式或电容式超声波换能器作为超声波接收器。
理想情况下管道中流速是均匀分布的，但实际情况会因管壁阻力使得流速成阶梯分布，对小管径流量测量，单通道方式会有很大误差。如果采用多通道检测，求得每个通道平均流量的加权和，流量精度将明显提高。阵列MEMS电容式超声波换能器小体积、能量转换率高、带宽宽、能IC集成等优点是作为多通道超声波流量计的接收端的最佳选择。为了实现对小管道多通路检测，本发明设计的阵列MEMS电容式超声波换能器115包括：上电极132、下电极133、谐振膜131、衬底134。可根据频率不同改变下电极和下电极距离d和谐振膜厚度w调整谐振频率。

Claims (4)

1.一种时差法超声波流量计，其特征在于设有超声波换能器、超声波接收器、管道；超声波换能器设置在管道的一侧作为超声波发射器，超声波接收器设置在管道的另一侧，并且以超声波换能器为中心呈两侧对称；超声波换能器设有锥形匹配层、绝缘胶、环形压电片、尾质量块、预应力螺钉和导线；预应力螺钉依次穿过尾质量块、压电片和锥形匹配层中心的孔，压电片、锥形匹配层、尾质量块通过预应力螺钉连接；
所述超声波接收器采用顺流超声波接收器和逆流超声波接收器，顺流超声波接收器和逆流超声波接收器为单通道压电式超声波接收器或圆周分布的多通道阵列MEMS电容式超声波接收器；
所述锥形匹配层的形状为圆锥形、金字塔形、平顶圆锥形或平顶金字塔形。
2.如权利要求1所述一种时差法超声波流量计，其特征在于所述多通道阵列MEMS电容式超声波接收器设有上电极、下电极、谐振膜和衬底。
3.如权利要求1所述一种时差法超声波流量计，其特征在于所述压电片、锥形匹配层、尾质量块通过胶水连接。
4.如权利要求1所述一种时差法超声波流量计，其特征在于所述超声波换能器的功率设计、超声波传播方向通过改变锥形匹配层的倾角β实现。
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