CN107014448A - 超声波流量计探头及探杆式超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波流量计探头及探杆式超声波流量计。所述超声波流量计探头，包括设置于流体采集腔内相对两侧的第一陶瓷片、第二陶瓷片；第一超声波信号收发装置通过第一陶瓷片向第二陶瓷片发送超声波并接收从第二陶瓷片发送的超声波；第二超声波信号收发装置通过第二陶瓷片向第一陶瓷片发送超声波并接收从第一陶瓷片发送的超声波；超声波信号处理器通过对比两个相对的陶瓷片之间的超声波信号测定流体流速。本发明通过在两个相对的陶瓷片之间同时发射、接收超声波信号，以时差法测定流体流速，不再需要传统的涡街发生装置，避免了杂质对测量结果的干扰，极大的提高了超声波流量计测量的准确度。

Description

超声波流量计探头及探杆式超声波流量计

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种超声波流量计探头及探杆式超声波流量计。

背景技术

根据对信号检测的原理不同，目前超声波流量计大致可以分为传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中，噪声法的结构及原理最为简单，且便于测量和携带、价格便宜，但是噪声法测量的准确度较低，仅适用于在流量测量准确度要求不高的场合使用。直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流的传播速度之差来反映流体的流速，故又统称为传播速度差法。其中，频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，因而被广泛使用。

传统的时差法超声波流量计的工作原理为：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，因此，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，当流体不流动时，声脉冲以相同的速度在两个方向上传播。如果管道中的流体有一定流速，则顺着流动方向的声脉冲会传输的快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输的慢些，这样，顺流传输时间会短些，而逆流传输时间会长些。通过信号处理器计算处理出当前介质的流量。

传统超声波流量计为非接触式仪表，采用耦合剂吸附于介质容器或管道外壁，适于测量不易接触和观察的流体流量。由于采用非接触式测量，流量计在使用过程中受到极大制约，超声波经过声波发射换能器发出必须经过两层干扰介质(耦合剂与介质容器或管道外壁)才能与被测介质接触，在穿过被测介质后又必须穿过两层干扰介质(介质容器或管道外壁与耦合剂)才能到达声波接收换能器。因而对于低流量介质测量结果准确度造成极大的影响；与此同时，非接触式在测量大管道介质时(管径大于1500毫米)，超声波换能器的准确安装是个极大的难题。

为了解决这一问题，探杆式超声波流量计应运而生。涡街流量计是目前广泛使用的一种探杆式超声波流量计，涡街流量计的探头包含一涡街发生装置。涡街流量计是利用卡门涡街流量原理进行测量的，在测量管中垂直插入一个柱状物，流体通过柱状物时，在一定条件下，在柱状物两侧就会交替产生两列有规则的漩涡。传统的涡街流量计采用压电敏感元件将流体的振动信号转换成电信号，并利用比较器、信号处理方法等手段实现涡街频率信号的检测，进而实现流量计算。但也正式由于直接将频率信号进行变送，当受到外界干扰时，测量值就会远远低于实际值，正因为如此，传统涡街流量计无法对低速进行测量，也就是低频信号易受电磁干扰；而且涡街流量计是采用取压孔或插入式检测元件感应漩涡，一旦介质中的杂质嵌入取压孔或感应元件与表体间的缝隙，则造成信号变弱或不稳定。因此，如何提高超声波流量计测量的准确度，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种超声波流量计探头及探杆式超声波流量计，用以解决现有的超声波流量计测量的准确度较低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种超声波流量计探头，包括流体采集腔、第一超声波信号收发装置、第二超声波信号收发装置、第一陶瓷片、第二陶瓷片和超声波信号处理器；其中：所述第一陶瓷片和所述第二陶瓷片位于所述流体采集腔内的相对两侧；所述第一超声波信号收发装置，连接所述第一陶瓷片，通过所述第一陶瓷片向所述第二陶瓷片发送超声波并接收从第二陶瓷片发送的超声波；所述第二超声波信号收发装置连接所述第二陶瓷片，通过所述第二陶瓷片向所述第一陶瓷片发送超声波并接收从第一陶瓷片发送的超声波；所述超声波信号处理器，同时连接所述第一超声波信号收发装置和所述第二超声波信号收发装置，通过对比两个相对的陶瓷片之间的超声波信号测定流过所述流体采集腔的流体流速。

优选的，所述第一陶瓷片和所述第二陶瓷片均为高温耐磨陶瓷片。

优选的，所述第一超声波信号收发装置和所述第二超声波信号收发装置分别与所述流体采集腔焊接。

优选的，所述第一陶瓷片卡接于所述流体采集腔内侧上表面；所述第二陶瓷片卡接于所述流体采集腔内侧下表面。

优选的，所述流体采集腔内侧下表面相对于所述流体采集腔内侧上表面倾斜设置。

优选的，所述第二陶瓷片相对于所述第一陶瓷片倾斜设置。

优选的，所述流体采集腔为两端开口的中空结构，其一端开口为流体入口，另一端开口为流体出口；所述流体入口的口径小于所述流体出口的口径。

优选的，所述流体入口为倒角设置，所述流体出口为敞口设置。

优选的，所述超声波信号处理器通过第一信号连接线与所述第一超声波信号收发装置连接；所述超声波信号处理器通过第二信号连接线与所述第二超声波信号收发装置连接。

本发明还提供了一种探杆式超声波流量计，包括连接支撑杆、安装固定件和信号处理变送器，所述超声波流量计还包括如上述任一项所述的超声波流量计探头；所述连接支撑杆的一端连接所述信号处理变送器，另一端连接所述超声波流量计探头；所述安装固定件套接在所述连接支撑杆上。

本发明提供的超声波流量计探头及探杆式超声波流量计，通过在两个相对的陶瓷片之间同时发射、接收超声波信号，以时差法测定流体流速，不再需要传统的涡街发生装置，避免了杂质对测量结果的干扰，极大的提高了超声波流量计测量的准确度。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式的超声波流量计探头的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式的探杆式超声波流量计的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的超声波流量计探头及探杆式超声波流量计的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种超声波流量计探头，附图1是本发明具体实施方式的超声波流量计探头的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式所述的超声波流量计探头包括流体采集腔9、第一超声波信号收发装置2、第二超声波信号收发装置5、第一陶瓷片3、第二陶瓷片11和超声波信号处理器1。

所述第一超声波信号收发装置2连接所述第一陶瓷片3，所述第二超声波信号收发装置5连接所述第二陶瓷片11，且所述第一陶瓷片3和所述第二陶瓷片11位于所述流体采集腔9内的相对两侧。所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5均可以发射、接收超声波信号。因而，当采用本具体实施方式所述的超声波流量计探头测定流体流速时，所述第一超声波信号收发装置2经所述第一陶瓷片3向所述第二陶瓷片11发射超声波信号，并接受所述第二超声波信号收发装置5经所述第二陶瓷片11发射的超声波信号；同时，所述第二超声波信号收发装置5经所述第二陶瓷片11向所述第一陶瓷片3发射超声波信号，并接受所述第一超声波信号收发装置2经所述第一陶瓷片3发射的超声波信号。所述超声波信号处理器1同时连接所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5，通过对比两个相对的陶瓷片(即所述第一陶瓷片3和所述第二陶瓷片11)之间的超声波信号测定流过所述流体采集腔9的流体流速。所述超声波信号处理器1用于控制所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5发射、接受超声波信号，并对所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5接受到的所述超声波信号进行预处理，根据时差法计算出流过所述流体采集腔9的流体的流速。

为了提高所述超声波流量计探头的使用寿命，扩大所述超声波流量计的使用范围，优选的，所述第一陶瓷片3和所述第二陶瓷片11均为高温耐磨陶瓷片。这样一来，所述超声波流量计探头不仅可以测定普通流体，例如常温流体、中性流体的流速，也可以测定高温流体、高温流体以及腐蚀性流体的流速，极大的扩大了所述超声波流量计的应用领域。

为了增加所述超声波流量计探头的结构稳定性，优选的，所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5分别与所述流体采集腔9焊接。在本具体实施方式中，如图1所示，所述第一超声波信号收发装置2焊接于所述流体采集腔9上部；所述第二超声波信号收发装置5焊接于所述流体采集腔9下部。通过形成一体化的超声波流量计探头结构，极大的提高了所述超声波流量计探头的结构稳定性。

为了增加所述超声波流量计探头的结构稳定性，优选的，所述第一陶瓷片3卡接于所述流体采集腔9内侧上表面；所述第二陶瓷片11卡接于所述流体采集腔9内侧下表面。

为了增加所述超声波流量计测定的准确度，优选的，如图1所示，所述流体采集腔9内侧下表面相对于所述流体采集腔9内侧上表面倾斜设置。或者，优选的，所述第二陶瓷片11相对于所述第一陶瓷片3倾斜设置。通过上述两种方式，都可以实现所述第二陶瓷片11与所述第一陶瓷片3非平行设置，从而有效的提高所述超声波流量计测定的准确度。

为了便于清洁所述超声波流量计探头，减少所述超声波流量计使用过程中的维护工作，优选的，所述流体采集腔9为两端开口的中空结构，其一端开口为流体入口，另一端开口为流体出口；所述流体入口的口径小于所述流体出口的口径。为了防止流体采集腔结构对流体流速造成影响，更优选的，所述流体入口为倒角设置，所述流体出口为敞口设置。当采用上述结构进行流体流速测定的过程中，为了增加测定的精准度，所述超声波流量计需要采用一预设的校准系数对流体的流速进行校准，其中，所述预设的校准系数需要根据所述流体入口的口径与所述流体出口的口径比例进行确定。所述流体采集腔9可以采用金属材料，经开模后，一体化铸造出来，所述金属材料可以是304不锈钢、316不锈钢、哈式合金、钛金属中的一种。

为了防止信号串扰，优选的，所述超声波信号处理器1通过第一信号连接线10与所述第一超声波信号收发装置2连接；所述超声波信号处理器1通过第二信号连接线6与所述第二超声波信号收发装置5连接。所述超声波信号处理器1还通过第三信号连接线12输出经处理的所述第一陶瓷片3和所述第二陶瓷片11接收到的超声波频率信号，且所述超声波信号处理器1还通过第四信号连接线13输入直流电信号，优选的，所述直流电信号为5V直流电。

为了增加所述超声波流量计探头的使用寿命，优选的，所述第一超声波信号收发装置2和所述第二超声波信号收发装置5的外壳材料均为高温耐磨陶瓷，且形状均为圆柱体。更优选的，所述圆柱体的直径为19mm，高为10mm。

本具体实施方式还提供了一种探杆式超声波流量计，附图2是本发明具体实施方式的探杆式超声波流量计的结构示意图。如图2所示，本具体实施方式提供的探杆式超声波流量计包括连接支撑杆23、安装固定件22和信号处理变送器21，所述超声波流量计还包括如上述任一项所述的超声波流量计探头24；所述连接支撑杆23的一端连接所述信号处理变送器21，另一端连接所述超声波流量计探头24；所述安装固定件22套接在所述连接支撑杆23上。所述连接支撑杆23为管状结构，所述信号处理变送器21和所述超声波流量计探头24分别焊接于所述连接支撑杆23的两端，且所述连接支撑杆23的管中心设有信号电缆线，所述信号电缆线的一端连接所述信号处理变送器21，另一端连接所述超声波流量计探头24，所述信号电缆线可以为第三信号连接线12。所述安装固定件22位中空带外螺纹不锈钢件，且所述安装固定件22能在所述连接支撑杆23上沿着杆径方向任意滑动，便于固定所述探杆式超声波流量计。

本发明提供的超声波流量计探头及探杆式超声波流量计，通过在两个相对的陶瓷片之间同时发射、接收超声波信号，以时差法测定流体流速，不再需要传统的涡街发生装置，避免了杂质对测量结果的干扰，极大的提高了超声波流量计测量的准确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波流量计探头，其特征在于，包括流体采集腔、第一超声波信号收发装置、第二超声波信号收发装置、第一陶瓷片、第二陶瓷片和超声波信号处理器；其中：

所述第一陶瓷片和所述第二陶瓷片位于所述流体采集腔内的相对两侧；

所述第一超声波信号收发装置，连接所述第一陶瓷片，通过所述第一陶瓷片向所述第二陶瓷片发送超声波并接收从第二陶瓷片发送的超声波；

所述第二超声波信号收发装置，连接所述第二陶瓷片，通过所述第二陶瓷片向所述第一陶瓷片发送超声波并接收从第一陶瓷片发送的超声波；

所述超声波信号处理器，同时连接所述第一超声波信号收发装置和所述第二超声波信号收发装置，通过对比两个相对的陶瓷片之间的超声波信号测定流过所述流体采集腔的流体流速。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述第一陶瓷片和所述第二陶瓷片均为高温耐磨陶瓷片。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述第一超声波信号收发装置和所述第二超声波信号收发装置分别与所述流体采集腔焊接。

4.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述第一陶瓷片卡接于所述流体采集腔内侧上表面；所述第二陶瓷片卡接于所述流体采集腔内侧下表面。

5.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述流体采集腔内侧下表面相对于所述流体采集腔内侧上表面倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述第二陶瓷片相对于所述第一陶瓷片倾斜设置。

7.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述流体采集腔为两端开口的中空结构，其一端开口为流体入口，另一端开口为流体出口；所述流体入口的口径小于所述流体出口的口径。

8.根据权利要求7所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述流体入口为倒角设置，所述流体出口为敞口设置。

9.根据权利要求1所述的超声波流量计探头，其特征在于，所述超声波信号处理器通过第一信号连接线与所述第一超声波信号收发装置连接；所述超声波信号处理器通过第二信号连接线与所述第二超声波信号收发装置连接。

10.一种探杆式超声波流量计，包括连接支撑杆、安装固定件和信号处理变送器，其特征在于，所述超声波流量计还包括如权利要求1-9中任一项所述的超声波流量计探头；所述连接支撑杆的一端连接所述信号处理变送器，另一端连接所述超声波流量计探头；所述安装固定件套接在所述连接支撑杆上。