CN108917866A - 一种用于复合管道流量检测的超声波传感器及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于复合管道流量检测的超声波传感器，包括：声楔，为斜角为45°的楔块；阻尼层，为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于声楔的斜面上；匹配层，为环氧树脂且平整贴合于匹配层上；压电元件，平整贴合于匹配层上；外壳，将声楔和压电元件封闭在内部，且声楔的上下表面对应与和外壳的上下表面贴合。本发明还提供了一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的安装方法：第一超声波传感器和第二超声波传感器均设于复合管道外壁的一侧，第三超声波传感器和第四超声波传感器均设于复合管道外壁的另一侧，第一超声波传感器和第四超声波传感器的连线与第二超声波传感器和第三超声波传感器的连线相互垂直。
Description
技术领域
本发明涉及流量检测领域，具体而言，涉及一种用于复合管道流量检测的超声波传感器及其安装方法。
背景技术
用于传输浆液的复合管道由于具有橡胶内衬，且管道内流动的是含有固定量的酸性液体，因此流量不易测量，若要在不影响生产的情况下进行接触式测量不现实，因此非接触式超声波测量就是最佳的选择。非接触式超声波流量测量使用的传感器一般由一组组成，安装在管道两侧呈一定的角度，角度一般为180°，且该组传感器为一发一收或互为收发。发射电路输出一定幅度、一定频率的信号，这种信号施加到发射传感器后产生超声波信号，接收传感器则实现把接收到的超声波信号转变成电信号。转变成电信号后再经过放大、滤波等过程实现对超声波回波信号的提取，信号中包含流量信息，根据相关的算法即可得到管道中流体的流量。
传输浆液所用的古河管道的管壁是由钢管和内衬耐腐蚀的橡胶层材料组合在一起的，其折射和反射过程复杂，对传感器的设计与安装要求很高。现有的技术无法实现对该复合管道的浆液流量测量，且管道内流动的浆液是含有一定量的酸性液体。例如采用涡轮流量计进行流量测量时需要将其串入被测系统管路，破坏了系统的流阻特性，且安装维护非常不方便；容积式流量计由于存在机械转子、轴、轴承和齿轮等机械转动部件，计量表容易磨损，尤其对于含杂质较多的浆液，过滤网容易堵塞，造成计量表无法准确计量；同时由于湿法脱硫系统中管道外径比较大，电磁流量计也没法使用；传统的超声波流量计也没有应用于大管径衬胶管道流量检测的，主要是因为频率、安装方式等原因导致无法接受到信号。因此，市场上目前还没有一款适用于大管径衬胶管道的非接触式流量测量的仪表。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于复合管道流量检测的超声波传感器及其安装方法，解决在不影响生产的情况下，通过对传感器的设计与安装方法解决利用超声波流量测量方式测量复合管道浆液流量的问题。
本发明提供了一种用于复合管道流量检测的超声波传感器，该超声波传感器包括：
声楔，其为斜角为45°的楔块；
阻尼层，其为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于所述声楔的斜面上；
匹配层，其为环氧树脂且平整贴合于所述匹配层上；
压电元件，其平整贴合于所述匹配层上；
外壳，其将所述声楔和所述压电元件封闭在其内部，且所述声楔的上下表面对应与和所述外壳的上下表面贴合。
作为本发明的进一步改进，还包括过线孔，其贯穿所述外壳的一个侧壁并延伸到所述外壳的外部。
作为本发明的进一步改进，还包括锁紧帽，其套设于所述过线孔延伸到所述外壳外的部分上。
作为本发明的进一步改进，还包括线缆保护套，其与所述锁紧帽的端部连接。
作为本发明的进一步改进，还包括信号传输线，其一端焊接在所述压电元件上，所述信号传输线的另一端依次穿过所述过线孔和所述线缆保护套延伸到所述外壳外部。
作为本发明的进一步改进，还包括磁铁A和磁铁B，其二者分别设于所述外壳下表面的两端。
作为本发明的进一步改进，所述声楔的材质为有机玻璃，所述外壳的材质为铝合金，所述压电元件为PZT-5.0压电陶瓷圆薄片。
作为本发明的进一步改进，所述信号传输线选用双重屏蔽电缆。
作为本发明的进一步改进，所述阻尼层的厚度为1mm。
本发明还提供了一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的安装方法，该方法包括：第一超声波传感器和第二超声波传感器均设于复合管道外壁的一侧，第三超声波传感器和第四超声波传感器均设于复合管道外壁的另一侧，所述第一超声波传感器和所述第四超声波传感器的连线与所述第二超声波传感器和所述第三超声波传感器的连线相互垂直。
本发明的有益效果为：通过选择合适的超声波传感器的敏感元件，以及对超声波传感器结构的改进设计，使超声波传感器在流量检测中精度得以提高；同时对所述超声波传感器的安装方法进行改进，使所述超声波传感器具有良好的通用性，适用范围更加广泛，根据实际情况可以单独使用一组超声波传感器，也可两组超声波传感器组合使用，既适用于时差法又适用于频差法，也可适用于时差法与频差法的结合。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的安装示意图；
图3为本发明实施例所述的一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的温度特性曲线；
图4为本发明实施例所述的一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的导纳频率特性和相位频率特性测试曲线；
图中，
1、声楔；2、外壳；3、压电元件；4、过线孔；5、锁紧帽；6、线缆保护套；7、信号传输线；8、磁铁A；9、磁铁B；10、第一超声波传感器；11、第二超声波传感器；12、第三超声波传感器；13、第四超声波传感器；14、复合管道。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例所述的是一种用于复合管道流量检测的超声波传感器，该超声波传感器包括：
声楔1，其为斜角为45°的楔块。声楔1的45°斜角设计是为了避免超声波在管道和流体中传播时产生较强的交互回响，同时该设计也能够提高信号强度。声楔1的斜面被加工为光滑平整斜面，可以更有利于阻尼层的贴合。
阻尼层，其为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于声楔1的斜面上。阻尼层为硅胶中参入适量的钨粉，均匀混合后作涂抹在声楔1的斜面上，经48小时干化，硅胶为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以吸收压电元件3背面辐射的超声波并将其转换为热能，减小背面辐射产生的干扰。
匹配层，其为环氧树脂且平整贴合于匹配层上。本实施例所用环氧树脂比例为4：1，环氧树脂作为匹配层可以提高传感器的灵敏度，并且使频带展宽，使压电元件3入射到声楔1时的投射系数得到提高。
压电元件3，其平整贴合于匹配层上。本实施例中压电元件3的正负极设于同一侧，即压电元件3和匹配层贴合的另一侧面上。
外壳2，其将声楔1和压电元件3封闭在其内部，且声楔1的上下表面对应与和外壳2的上下表面贴合。外壳2应确保贴有压电元件3的声楔1完整放入其内部，从而可以避免外界干扰减少测量误差，使测量结果更加精确。且将声楔1的两个平行平面分别与外壳2的上下两个平行平面贴合放置，是为了使外壳2对声楔1的封装效果更好，避免出现较大空间造成声楔1安装不牢固影响测量结果。
进一步的，还包括过线孔4，其贯穿外壳2的一个侧壁并延伸到外壳2的外部。
进一步的，还包括锁紧帽5，其套设于过线孔4延伸到外壳2外的部分上。
进一步的，还包括线缆保护套6，其与锁紧帽5的端部连接。
进一步的，还包括信号传输线7，其一端焊接在压电元件3上，信号传输线7的另一端依次穿过过线孔4和线缆保护套6延伸到外壳2外部。
过线孔4、锁紧帽5和线缆保护套6均是为了保障信号传输线7能够由外壳2中安全引出。
进一步的，还包括磁铁A8和磁铁B9，其二者分别设于外壳2下表面的两端。磁铁A 8和磁铁B 9是为了便于将超声波传感去吸附在待测管道上。
进一步的，声楔1的材质为有机玻璃，外壳2的材质为铝合金，压电元件3为PZT-5.0压电陶瓷圆薄片。有机玻璃不仅容易加工，而且在5MHz以下的时候衰减很小，同时有机玻璃和工件声耦合特性好。铝合金外壳2较传统的橡胶或铝制外壳具有强度高，重量轻的优点。本发明实施例所使用的压电元件3的特性，结构，尺寸都是针对衬胶管道经过理论计算的，针对衬胶管道提高了声波的指向性。PZT-5.0压电陶瓷圆薄片沿厚度方向振动，产生的超声波为纵波。该压电陶瓷灵敏度和居里温度高、各种参数时间稳定性好，具有较高的介电常数和机电耦合系数。
进一步的，信号传输线7选用双重屏蔽电缆。双重屏蔽电缆能够确保信号质量，尽可能降低了噪声对信号的干扰。
进一步的，阻尼层的厚度为1mm。
本发明实施例对所述超声波传感器的性能进行了测试：
(1)温度特性测试
环境温度的变化对压电材料的压电系数和介电常数的影响都很大，它将使超声波传感器灵敏度发生变化。但当温度低于400℃时，其压电系数和介电常数都很稳定。根据实际的测试条件，超声波传感器的温度测试设定在-30℃～100℃范围内。超声波传感器经过高低温度的测试后，超声波传感器输出特性基本没有变化，即超声波传感器可以很好的工作在-25℃～85℃的范围内，满足设计要求，温度特性曲线如图3所示。
(2)频率特性测试
使用NF公司的阻抗/增益·相位综合解析装置ZGA5905对设计的超声波传感器进行阻抗性能测试，ZGA5905仪器可以测量0.1mHz～15MHz的频率段进行测量，得到超声波传感器的频率-阻抗特性，使其更好地与电路进行阻抗匹配。
超声波传感器在50KHz～1.5MHz频率段进行导纳频率特性和相位频率特性测试，从图4可以看出在800KHz～1.2MHz频率区间相位发生了突变，且电导最大值和电导最小值出现在这个频率区间，整体范围在-180°～180°，说明串联谐振频率在此区间，从而推到出压电参数，比如C0，C1，R1，L1，Qm，最终推导出压电传感器和驱动电路的阻抗匹配用电感。
实施例2
如图2所示，本发明实施例的是一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的安装方法，该超声波传感器的安装方法包括：
第一超声波传感器10和第二超声波传感器11均设于复合管道14外壁的一侧，第三超声波传感器12和第四超声波传感器13均设于复合管道14外壁的另一侧，第一超声波传感器10和第四超声波传感器13的连线与第二超声波传感器11和第三超声波传感器12的连线相互垂直。
第一超声波传感器10、第二超声波传感器11、第三超声波传感器12和第四超声波传感器13，四个超声波传感器通过自身的磁铁吸附在复合管道14的外壁上。四只传感器在同一平面且第一超声波传感器10、第二超声波传感器11的连接线与第三超声波传感器12、第四超声波传感器13的连接线为90°来确定四只传感器的相对位置。将第一超声波传感器10和第四超声波传感器13的连线与第二超声波传感器11和第三超声波传感器12的连线设置为相互垂直，在时差法测量时能够保证收发传感器中心对称，最大限度地增大回波信号，否则会对测量精度产生较大影响；在频差法测量时液体中气泡、颗粒对声波的反射及折射时以偏法线30°到60°的能量最强，连线垂直安装也兼顾了频差法的回波接受效果。
频差法(多普勒)模式
第一超声波传感器10和第二超声波传感器11为第一组，第三超声波传感器12和第四超声波传感器13为第二组，第一组：第一超声波传感器10发射超声波，第二超声波传感器11接收超声波；或第二超声波传感器11发射超声波，第一超声波传感器10接收超声波。第二组工作方式同第一组。使用信号发生器产生标准的正弦序列驱动传感器产生超声波信号，超声信号穿过流体介质，被流体中的固体颗粒反射后，接收传感器收到超声信号(回波信号)，根据回波信号的频率变化计算流体的流量。
时差法模式
第一超声波传感器10和第四超声波传感器13为第一组，第二超声波传感器11和第三超声波传感器12为第二组，第一组：第一超声波传感器10发射超声波，第四超声波传感器13接收超声波，计算顺流时间，第四超声波传感器13发射超声波，第一超声波传感器10接收超声波，计算逆流时间，通过时差确定流速。第二组工作方式同第一组。
时差和频差双模式
四只传感器灵活使用，每只传感器都可作为发射传感器：第一超声波传感器10发射超声波，第二超声波传感器11收反射回波，第四超声波传感器13收穿透波；第四超声波传感器13发射超声波，第三超声波传感器12收反射回波，第一超声波传感器10收穿透波，完成一次双模式测量，四个超声波传感器的使用可根据实际情况来控制选择。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，包括：
声楔(1)，其为斜角为45°的楔块；
阻尼层，其为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于所述声楔(1)的斜面上；
匹配层，其为环氧树脂且平整贴合于所述匹配层上；
压电元件(3)，其平整贴合于所述匹配层上；
外壳(2)，其将所述声楔(1)和所述压电元件(3)封闭在其内部，且所述声楔(1)的上下表面对应与和所述外壳(2)的上下表面贴合。
2.根据权利要求1所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，还包括过线孔(4)，其贯穿所述外壳(2)的一个侧壁并延伸到所述外壳(2)的外部。
3.根据权利要求2所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，还包括锁紧帽(5)，其套设于所述过线孔(4)延伸到所述外壳(2)外的部分上。
4.根据权利要求3所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，还包括线缆保护套(6)，其与所述锁紧帽(5)的端部连接。
5.根据权利要求4所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，还包括信号传输线(7)，其一端焊接在所述压电元件(3)上，所述信号传输线(7)的另一端依次穿过所述过线孔(4)和所述线缆保护套(6)延伸到所述外壳(2)外部。
6.根据权利要求1所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，还包括磁铁A(8)和磁铁B(9)，其二者分别设于所述外壳(2)下表面的两端。
7.根据权利要求1所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，所述声楔(1)的材质为有机玻璃，所述外壳(2)的材质为铝合金，所述压电元件(3)为PZT-5.0压电陶瓷圆薄片。
8.根据权利要求5所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，所述信号传输线(7)选用双重屏蔽电缆。
9.根据权利要求1所述的用于复合管道流量检测的超声波传感器，其特征在于，所述阻尼层的厚度为1mm。
10.一种用于复合管道流量检测的超声波传感器的安装方法，其特征在于，第一超声波传感器(10)和第二超声波传感器(11)均设于复合管道(14)外壁的一侧，第三超声波传感器(12)和第四超声波传感器(13)均设于复合管道(14)外壁的另一侧，所述第一超声波传感器(10)和所述第四超声波传感器(13)的连线与所述第二超声波传感器(11)和所述第三超声波传感器(12)的连线相互垂直。
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