CN111220223B - 一种基于微流道的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流道的超声波流量计，属于流体流量测量技术领域。本发明装置包括管道腔室、微流道组件、超声波换能器和信息采集处理模块；所述管道腔室包括进料腔、出料腔；所述微流道数量为多个，呈线性对称排列，焊接在微流道基座上；所述超声换能器的数量为微流道数量的一半，同一对超声换能器分别位于微流道的上下游位置，处在微流道的同一轴线上且换能器端头互相相对。所述的信息采集处理模块包括信息采集与信号处理模块，所述的信息采集模块包括温度、压力传感器、超声换能器，所述的信息处理模块主要为单片机和LED显示屏。本发明装置在竖直方向上检测流体流量，结构简单，安装方便，适用性广，检测精度高。

Description

一种基于微流道的超声波流量计

技术领域

本发明属于流体流量测量技术领域，具体涉及一种基于微流道的超声波流量计。

背景技术

超声波流量计是一种利用流体对声波的作用来测量流体流速的装置。超声波在管道外壁入射后，经过流体传播时，受到流体流速、管道直径等一些因素的影响而表现出特殊的性质变化。通过对这些特性的分析和利用之后，从而计算出管道内流体的流量大小。超声波流量计具有非接触式测量、性价比高、适应性强、灵敏度高、安装方便、寿命长等特点。近些年来，超声波流量计广泛应用在石油、化工、水电等工业领域。

传统的超声波流量计一般由超声波发射接收器、流通管道、密封装置、电路板等部分组成。传统超声波流量计通常在流速较大、管径较大的条件下使用。近些年来，已有不少研究人员对超声波流量计进行改进，如中国专利申请CN110285861A的超声波流量计在传统超声波流量计的基础上，对流体腔进行改进，将圆形管道逐步压缩成长方形管道，减小流体流通面积，虽然该装置在一定程度上提高了检测精度，但是该装置只有一个检测单元，无法实现大流量检测。再如中国专利申请CN108934177A的超声波流量计简化了传统超声流量计，以较简的结构完成了流体流量的测量，但是该流量计容易出现流体在管道内部分布不均，管道内气液两相共存的现象，而且该专利进行超声波测量时使用的测量管道直径较大，超声波行程长，易产生信号衰减，容易产生测量误差。

现有的超声波流量计存在准确性难以保证、长行程声波信号衰减、检测装置难以拆卸且清洗困难、检测单元少效率低等问题，因此急需针对流体流量的大小设计适应性更好、检测精度更高的超声波流量计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于微流道的超声波流量计，所述超声波流量计进料腔、进料缓冲槽、接管、微流道组件、出料缓冲槽；所述进料腔、进料缓冲槽、接管、微流道组件、出料缓冲槽顺次连接；所述微流道组件包含多个微流道，所述微流道上设有超声波换能器，所述出料缓冲槽上设有出料腔。

在本发明的一种实施方式中，所述微流道组件由微流道上基座、微流道、微流道下基座顺次连接；所述微流道上基座、微流道下基座的尺寸结构相同，均为外螺纹结构，基座内部含有多个通孔，微流道通过焊接连接在微流道上基座、微流道下基座的通孔上；所述接管、出料缓冲槽的连接端为内螺纹结构，分别连接于微流道上基座、微流道下基座。

在本发明的一种实施方式中，所述进料缓冲槽为圆柱状，两端均为开口结构，一端与进料腔连接，另一端与缓冲板连接；所述缓冲板设于接管内部，所述接管为圆柱中空结构，所述缓冲板为圆柱形结构，缓冲板内部含有20个相同尺寸的通孔，用于流体通过；在缓冲板横截面上，所述通孔中的16个呈4×4的正方形排列，另外4个通孔对称分布于正方形四边中心的一侧。

在本发明的一种实施方式中，所述进料腔的横截面为圆形，进料腔内设有温度以及压力传感器。

在本发明的一种实施方式中，所述进料缓冲槽的圆柱外壁上设有矩形区域，所述矩形区域的内壁上连接有单片机，所述单片机设有AD模块(模拟量输入模块)；所述进料缓冲槽的圆柱外壁上还设有凹槽，所述凹槽中设有LED显示屏，所述LED显示屏为曲面屏，固定于凹槽中；所述LED显示屏与单片机相连，用于显示所测管道内流量、温度信息数据；所述的单片机设有无线数据收发装置，用于将所测信息数据通过网络远程发送给客户端并显示，所述客户端为PC端或者手机端。

在本发明的一种实施方式中，所述缓冲槽外壁上还设有USB接口和micro USB接口，所述USB接口用于导出所测管道内流量、温度信息数据，所述micro USB接口用于将单片机程序烧录至单片机内。

在本发明的一种实施方式中，所述的微流道由橡胶层与金属层构成，橡胶层为外层，覆盖在金属层之上。

在本发明的一种实施方式中，所述微流道设有上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器，所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器上分别设有上游超声波换能器电极板、下游超声波换能器电极板，所述上游超声波换能器电极板、下游超声波换能器电极板分别连接上游超声波换能器数据传输线、下游超声波换能器数据传输线的一端，上游超声波换能器数据传输线、下游超声波换能器数据传输线的另一端通过导线连接在单片机上AD模块的端口通道上。

在本发明的一种实施方式中，所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器在微流道上同侧或异侧安装，所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器的超声发射方向和微流道轴线方向呈20°～60°夹角。

在本发明的一种实施方式中，所述多个微流道呈线性排列结构，所述微流道排布关于流量计装置轴线对称，只在轴线一侧的微流道上设置超声波换能器。

本发明与现有技术相比具备以下优点：

本发明的超声波流量计将超声波测量与微流道相结合，同时采用缓冲板结构，使微流道内流体几乎始终处于满管状态，可巧妙地将大流量转换为小流量进行测量，有效提高测量精度；设计的多个微流道呈线性对称分布，利用对称性合理减少超声换能器数量，降低生产成本；可通过拆卸螺栓清洗微流道内部结构，为测量结果的精确性提供了保障；利用超声波进行非接触式无损测量，提高测量精度。同时，利用单片机等电气元件，不但提高测量效率，而且便于远程测量与监控。本发明优点可以总结为：

1)精度高。本发明将超声波测量与微流道技术结合，具备二者的优点，同时引入缓冲板可以在大流量测量时起到缓冲作用，将大流量分摊在多个微流道中，大大减小了测量管道直径，提高测量精度。

2)成本低。本发明充分运用流速的对称性，合理减少超声波换能器个数，降低成本。

3)噪声小。微流道外部均包裹一层橡胶材料，吸收超声。可减小由于使用超声波而造成的噪音污染，无需安装隔音防护装置。

4)零点稳定。可用于较小流量监测，适用于检测管道网络的泄露。

5)远程测量。本发明带有无线数据收发装置，适用于远程采集与监控。

6)便于清洁。本发明的微流道组件可进行拆卸，方便清洗微流道内部，为检测结果的精确性提供了保障，同时也延长了装置的使用寿命。

7)检测迅速。本发明的检测结果处理均由单片机完成，在保证准确的前提下，方便快捷。

附图说明

图1为实施例1的超声波流量计整体结构图；

图2为实施例1的超声波流量计剖视图；

图3为实施例1的缓冲板结构放大图；

图4为实施例1的接管与进料缓冲槽连接部放大图；

图5为实施例1的微流道下基座与出料缓冲槽连接部放大图；

图6(a)为实施例1的异侧超声波换能器安装示意图。

图6(b)为实施例1的同侧超声波换能器安装示意图。

附图各标记表示如下：

1：进料腔；2：进料缓冲槽；3：LED显示屏；4：USB接口；5：接管；6：微流道上基座；7：微流道；701：橡胶层；702：金属层；8：上游MEMS超声波换能器；801：上游超声波换能器数据传输线；802；上游超声波换能器电极板；9：下游MEMS超声波换能器；901：下游超声波换能器数据传输线；902；下游超声波换能器电极板；10：微流道下基座；11：出料缓冲槽；12：出料腔；13：单片机；14：缓冲板；1401：通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种基于微流道的超声波流量计，如附图1～6所示，所述超声波流量计包括：进料腔1、进料缓冲槽2、LED显示屏3、USB接口4、接管5、微流道组件、出料缓冲槽11、出料腔12、单片机13、缓冲板14；

所述进料腔1、进料缓冲槽2、接管5、微流道组件、出料缓冲槽11顺次连接；

所述的进料腔1材料为金属或陶瓷或塑料等，用于与外界的管道连接，所述进料腔1的横截面为圆形，便于与外界管道相连，进料腔1内设有温度以及压力传感器，测量流体的当前的温度及对外界管道的压力；

所述进料缓冲槽2作为进料缓冲区，为圆柱状结构，其长度与截面圆的直径比为1:1，进料缓冲槽2两端均为开口结构，一端与进料腔1通过焊接或者螺纹连接，连接处设有密封圈，另一端与缓冲板14焊接；所述缓冲板14为圆柱状结构，设于接管5内部，所述接管5为圆柱中空结构，所述缓冲板14通过螺钉连接于接管5圆柱壁上；所述进料缓冲槽2的圆柱外壁上设有矩形区域，矩形区域外部开设一扇门，所述单片机位13通过螺钉或者铆接连接于矩形区域的内壁上，所述单片机13负责信息数据的处理及发送，设有AD模块(模拟量输入模块)；在进料缓冲槽2的圆柱外壁上还设有凹槽，所述LED显示屏3设于进料缓冲槽2的凹槽中，所述LED显示屏3为曲面屏，固定于凹槽中，所述LED显示屏3与单片机13相连，用于显示当前流量、温度等信息；所述的单片机13具有无线数据收发装置，能将数据远程发送给客户端并显示，所述无线数据收发装置采用4G或Wifi无线网络技术，所述客户端可以为连接无线网络的PC端或者手机端；所述USB接口4设于LED显示屏3的一边，用于导出处理数据。进一步地，所述缓冲槽外壁还设有micro USB接口，用于将修改后的程序烧录至单片机内；

所述出料腔12设于出料缓冲槽11侧面，用于引导流体流出超声波流量计。

如图2、图4、图5所示，所述微流道组件由微流道上基座6、微流道7、微流道下基座10顺次连接；所述微流道上基座6、微流道下基座10的尺寸结构相同，均为外螺纹结构，基座内部含有多个通孔(图2中以四个为例)，微流道7通过焊接连接在微流道上基座6、微流道下基座10的通孔上；微流道长度直径比例为18:1，多个微流道呈线性排列结构，防止微流道之间区域出现过大的噪声干扰，影响测量精度；

所述接管5、出料缓冲槽11的连接端为内螺纹结构，分别连接于微流道上基座6、微流道下基座10；微流道组件的螺纹结构保证了微流道组件的可拆卸性，便于微流道组件的更换与清洗。

如图3所示，所述缓冲板14为圆柱形结构，内部含有20个相同尺寸的通孔1401，用于流体通过。在缓冲板横截面上，所述通孔中的16个呈4×4的正方形排列，另外4个通孔对称分布于正方形四边中心的一侧；所述缓冲板14不但能够支撑上部进料缓冲槽2，而且可以对流入接管3中的流体进一步缓冲；大流量通过缓冲板时，由于缓冲板14中的通孔尺寸一定，因此可以将大流量分解，使流量均匀地通入微流道组件；因此缓冲板14可以完成大小流量的转换，从而改善流量测量环境，减小因微流道7中流体未充满而引起的测量误差。

如图1、图6(a)所示，所述的微流道7由701橡胶层与702金属层构成，橡胶层701为外层，覆盖在金属层702之上。覆盖在外侧的橡胶具有良好的弹性，吸振效果好，可以吸收超声波换能器发出的超声波，在减少噪音的同时，提高流量测量精度；

所述微流道7的两侧分别设有相同的上游MEMS超声波换能器8、下游MEMS超声波换能器9，MEMS超声波换能器能发射与接收超声波。本装置基于超声波时差法测速，即基于上游MEMS超声波换能器8发射超声波传播到下游MEMS超声波换能器9所需的时间以及下游MEMS超声波换能器9发射超声波传播到上游MEMS超声波换能器8所需的时间之间的差值来测量微流道内的流量；超声波换能器的超声发射方向和微流道轴线方向呈20°～60°夹角，以便达到精确的流量测量条件。

所述上游MEMS超声波换能器8、下游MEMS超声波换能器9上分别设有上游超声波换能器电极板802、下游超声波换能器电极板902，所述上游超声波换能器电极板802、下游超声波换能器电极板902分别连接上游超声波换能器数据传输线801、下游超声波换能器数据传输线901的一端，上游超声波换能器数据传输线801、下游超声波换能器数据传输线901的另一端通过导线连接在单片机的AD模块的端口通道上。

优选地，如图6(b)所示，所述上游MEMS超声波换能器8、下游MEMS超声波换能器9设于微流道7的同侧，连接、使用与安装方式均与超声波换能器设置在异侧一致；在异侧安装方式中，超声波从发射到接收只经历一个顺游传播或者一个逆游传播过程，所述顺游为上游MEMS超声波换能器发射超声波，下游MEMS超声波换能器接收超声，超声波传播方向与流体流动方向相同；所述逆游为下游MEMS超声波换能器发射超声波，上游MEMS超声波换能器接收超声，超声波传播方向与流体流动方向相反。

在同侧安装方式中，超声波从发射到接收经历两个顺流传播或者两个逆流传播过程，超声波所走过的距离更长进一步减小测量误差，提高测量精度。

进一步地，流量测量方式为竖直方向测量，刚进入流量计时流体流态关于轴线对称，所述进料腔1、进料缓冲槽2、接管5、以及出料缓冲槽11结构上关于装置轴线具有高度的对称性，因此接管5内流体流态也关于轴线对称；所述微流道7排布也关于轴线对称，故只需测量轴线一侧的流量将其乘二即可得到经过流量计的流量。因此只需轴线一侧的微流道上设置超声波换能器即可。

工作原理：在使用流量计时，将装置放置于竖直的流体管道内，即分别将装置的进料腔、出料腔与流体管道连接，流体进入进料腔后，随即进入进料缓冲槽；通过进料缓冲槽下方的缓冲板后，流体进入接管；接管内的流体经微流道基座，进入微流道之中；在进料缓冲槽以及缓冲板的引流作用下，微流道必然被流体所充满，有利于提高流量测量的精度；位于微流道上游和下游的超声波换能器利用时差法测得微流道内流体的流速，将流速信息传递给单片机；具体过程为：上游、下游超声波换能器发射时，单片机记录发射超声波换能器的传输过来的电压模拟量，并将其转换为数字信号，同时单片机定时电路开始计时，对接收到超声波换能器传输过来的电压模拟量模数转换，并与电压初始值进行比较，待两者差值在一定范围内时，判定两者其相等，此时单片机定时电路计时停止。单片机通过计算可得到超声波传播时间，单片机再根据微流道的截面积，计算出每个微流道内的流量，再将多个微流道的流量相加，得到进料腔内的流量；最后将流量直接在LED显示屏上显示。

实施例2

根据实施例1所述结构及尺寸优选设计方案，本实施例提供如下优选尺寸的装置：进料缓冲槽长宽均为120mm。接管尺寸长为100mm，宽为140mm。微流道个数为4个，直径为10mm，长度为180mm。超声波换能器数量为两对。超声波换能器入射角度为45°，采样频率为1MHz。超声波换能器安装方式为同侧安装。

实验条件：环境温度为20℃，流动液体为水。

实验仪器：水流量标准装置、基于微流道的超声波流量计。

实验过程：

利用本发明方法检测水的流量，同时利用行标法(水流量标准装置法，HJ/T366-2007)对水流量进行检测，检测结果见表1(数据均为三次实验的平均值)。可见，流量检测结果与行标法检测结果一致，本发明的检测结果相对标准偏差小于1.5％。

表1本发明和行标法的检测结果的比较

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种超声波流量计，其特征在于，包括：进料腔、进料缓冲槽、接管、微流道组件、出料缓冲槽；所述进料腔、进料缓冲槽、接管、微流道组件、出料缓冲槽顺次连接；所述微流道组件包含多个微流道，所述微流道上设有超声波换能器，所述出料缓冲槽上设有出料腔；

所述微流道设有上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器，所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器上分别设有上游超声波换能器电极板、下游超声波换能器电极板，所述上游超声波换能器电极板、下游超声波换能器电极板分别连接上游超声波换能器数据传输线、下游超声波换能器数据传输线的一端，上游超声波换能器数据传输线、下游超声波换能器数据传输线的另一端通过导线连接在单片机上AD模块的端口通道上；

所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器在微流道上同侧或异侧安装，所述上游MEMS超声波换能器、下游MEMS超声波换能器的超声发射方向和微流道轴线方向呈20°～60°夹角；

所述多个微流道呈线性排列结构，所述微流道排布关于流量计轴线对称，只在轴线一侧的微流道上设置超声波换能器；

所述微流道组件由微流道上基座、微流道、微流道下基座顺次连接；所述微流道上基座、微流道下基座的尺寸结构相同，均为外螺纹结构，基座内部含有多个通孔，微流道通过焊接连接在微流道上基座、微流道下基座的通孔上；所述接管、出料缓冲槽的连接端为内螺纹结构，分别连接于微流道上基座、微流道下基座；

所述进料缓冲槽为圆柱状，两端均为开口结构，一端与进料腔连接，另一端与缓冲板连接；所述缓冲板设于接管内部，所述接管为圆柱中空结构，所述缓冲板为圆柱形结构，缓冲板内部含有20个相同尺寸的通孔，用于流体通过；在缓冲板横截面上，所述通孔中的16个呈4×4的正方形排列，另外4个通孔对称分布于正方形四边中心的一侧。

2.如权利要求1所述的一种超声波流量计，其特征在于，所述进料腔的横截面为圆形，进料腔内设有温度以及压力传感器。

3.如权利要求2所述的一种超声波流量计，其特征在于，所述进料缓冲槽的圆柱外壁上设有矩形区域，所述矩形区域的内壁上连接有单片机，所述单片机设有AD模块；所述进料缓冲槽的圆柱外壁上还设有凹槽，所述凹槽中设有LED显示屏，所述LED显示屏为曲面屏，固定于凹槽中；所述LED显示屏与单片机相连，用于显示所测管道内流量、温度信息数据；所述的单片机还设有无线数据收发装置，用于将所测信息数据通过网络远程发送给客户端并显示，所述客户端为PC端或者手机端。

4.如权利要求3所述的一种超声波流量计，其特征在于，所述缓冲槽外壁上还设有USB接口和micro USB接口，所述USB接口用于导出所测管道内流量、温度信息数据，所述microUSB接口用于将单片机程序烧录至单片机内。

5.如权利要求1所述的一种超声波流量计，其特征在于，所述的微流道由橡胶层与金属层构成，橡胶层为外层，覆盖在金属层之上。

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