CN111380584B - 一种超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波流量计，包括两个超声波换能器、流体管路以及超声波流量测量电路和软件系统，流体管路包括管路主体和两个导波结构，管路主体为直管状，两个导波结构分别设置在管路主体的外周且间隔一定距离，两个导波结构相背的端面为两个耦合界面，两个超声波换能器分别在两个耦合界面上与流体管路耦合连接。本申请中通过导波结构将一个超声波换能器发射的超声波扩散到管路主体内的待测液体中，使得超声波有效进入待测液体中并可在管路主体中传播被另一个超声波换能器接收，增长了超声波的声学通路，且管路主体的直管状设计可减少压力损失，提高待测液体对超声波的运送效率，减小测量误差，且方便于对小直径管路内的液体进行流量测量。

Description

一种超声波流量计

技术领域

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波流量计。

背景技术

超声波流量计通常利用压电材料的压电效应，采用适当的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波从某个方向射入流体管路中传播，然后由接收换能器接收，经压电元件变为电能，以便检测。根据信号检测的原理，目前超声波流量计主要采用时差法和多普勒法两种类型。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流速测量。时差法是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时传播时间之差来反映流体的流速，超声波传播方向可以与管路有一定的角度也可以完全同轴。

在对半导体生产中的超纯水用量监控、化学腐蚀液体的流速检测、生物反应容器的进液排液过程、色谱法分离过程中的酸碱平衡控制、血透仪中的血液药液流速监控等领域进行液体流速测量时用到的管路直径相对较小，一般为2毫米到30毫米，传统的超声波流量计的传感器尺寸较大，很难安装到此类小直径管路上进行测量，虽然一些夹持式超声波流量计的传感器也能在小管路上通过斜着向管路内发射超声波的方式对液体流量进行测量，但因为这种方式中，超声波是以一定夹角进入待测液体中，大部分超声波会碰到管壁后反射，只有少部分超声波会继续向前传播，并且在管路内的声学通路相对较短，超声波在上下游方向的传播时间之差或者相位不大，导致系统解析度不够，测量误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波流量计，以解决现有技术中超声波流量计在小直径管路中安装困难、测量误差大的问题。具体技术方案如下：

本发明提供一种超声波流量计，包括：

超声波传感器，包括两个超声波换能器，用于轮流发射和接收超声波信号；

流体管路，包括管路主体和两个导波结构，所述管路主体为直管状，待测液体在所述管路主体内流动，两个所述导波结构分别设置在所述管路主体的外周且间隔一定距离，两个所述导波结构相背的端面为两个耦合界面，两个所述超声波换能器分别在两个所述耦合界面上与所述流体管路耦合连接，一个所述超声波换能器发射的超声波信号能被另一个所述超声波换能器接收；

超声波流量测量电路和软件系统，与所述超声波传感器电连接，用于根据两个所述超声波换能器接收到的超声波信号的时间差或相位差测量所述待测液体的流速。

可选的，所述管路主体和所述导波结构的材料为塑料、橡胶或复合型材料，并且所述管路主体和所述导波结构的材料的声速与待测液体的声速相差不超过20％。

可选的，所述流体管路为一体化加工成型。

可选的，所述流体管路为分体式加工，并通过机械方式压紧连接成型，或通过超声波焊接成型，或通过粘合剂、油脂、或高粘稠度材料粘合的方式连接成型。

可选的，所述导波结构与所述超声波换能器通过物理方式施压实现耦合连接，并且所述耦合界面的连接处之间还设有声学耦合材料。

可选的，所述导波结构与所述超声波换能器通过粘合剂粘合实现耦合连接。

可选的，所述导波结构为实心结构。

可选的，所述导波结构为空心密封结构，里面注满与所述待测液体的声学特征相似的液体。

可选的，所述管路主体的横截面为圆形、椭圆形、正方形或者长方形，所述导波结构的形状为圆柱体、正方体、长方体或者锥体。

可选的，所述超声波换能器的形状为一个带孔的圆形、两个带孔的半圆形、带孔的正方形或者带孔的长方形，所述孔为圆形、椭圆形、方形或者长方形。

本发明提供的一种超声波流量计，具有以下有益效果：所述超声波流量计包括超声波传感器、流体管路以及与所述超声波传感器电连接的超声波流量测量电路和软件系统，其中，所述超声波传感器包括两个用于轮流发射和接收超声波信号的超声波换能器，所述流体管路包括管路主体和两个导波结构，所述管路主体为直管状，待测液体在所述管路主体内流动，两个所述导波结构分别设置在所述管路主体的外周且间隔一段距离，两个所述导波结构相背的端面为两个耦合界面，两个所述超声波换能器分别在两个所述耦合界面上与所述流体管路耦合连接，一个所述超声波换能器发射的超声波信号能被另一个所述超声波换能器接收，所述超声波流量测量电路和软件系统，用于根据两个所述超声波换能器接收到的超声波信号的时间差或相位差测量流体流速。本申请中通过所述导波结构将一个所述超声波换能器发射的超声波扩散到所述管路主体内的待测液体中，这样所述超声波可有效进入待测液体中并可在直管状的管路主体中传播被另一个所述超声波换能器接收，有效地增长了超声波在待测液体内的声学通路，且管路主体的直管状设计可有效减少压力损失，提高待测液体对超声波的运送效率，从而减小了超声波流量计的测量误差、提高其测量精度，方便于对小直径管路内的低流速液体进行流量测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种超声波流量计的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种超声波流量计的剖面示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

图5是本发明实施例四提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

图6是本发明实施例五提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

图7是本发明实施例六提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

图8是本发明实施例七提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图；

其中，附图1～8的附图标记说明如下：

11-超声波换能器；21-导波结构；22-管路主体；231-流体入口；232-流体出口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超声波流量计作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

<实施例一>

如背景技术所述，现有的超声波流量计小直径管路中安装困难，且在测量过程中，超声波在管路内的声学通路相对较短，超声波在上下游方向的传播时间之差或者相位差不大，导致系统解析度不够，测量误差大。对此，本实施例提供一种超声波流量计，特别适用于对小直径管路中液体流量进行测量。图1是本实施例提供的一种超声波流量计的结构示意图，请参阅图1，所述超声波流量计包括超声波传感器、流体管路、超声波流量测量电路和软件系统(图中未示出)，所述流体管路与所述超声波传感器耦合连接，所述超声波流量测量电路和软件系统与所述超声波传感器电连接，用于根据所述超声波换能器接收到的超声波信号测量流体流速。

具体的，所述超声波传感器包括两个超声波换能器11，用于轮流发射和接收超声波信号，所述超声波换能器11可以是带有压电效应的压电陶瓷片或压电晶体的换能器，也可以是PVDF等带有压电效应的塑料材料制成的换能器，也可以是CMUT换能器或PMUT换能器或MEMS换能器，本实施例对所述超声波换能器11的具体类型不作限定。

所述流体管路包括管路主体22和两个导波结构21，所述管路主体22为直管状且所述管路主体22的两端设有流体接口分别作为流体入口231和流体出口232，待测液体在所述管路主体内流通，两个所述导波结构21分别设置在所述管路主体22的外周且间隔一段距离，两个所述导波结构21相背的端面为两个耦合界面，两个所述超声波换能器11分别在两个所述耦合界面上与所述流体管路耦合连接，所述超声波换能器11发射的超声波信号能穿过所述耦合界面经所述导波结构21传播至所述管路主体22内，所述管路主体22内的超声波信号也能经所述导波结构21穿过所述耦合界面被所述超声波换能器11接收。

其中，所述耦合界面与所述管路主体22的中轴线垂直，这样两个所述超声波换能器11在厚度方向产生共振，发射的超声波可以尽可能多的穿过耦合界面。

另外，需要说明的是，大多数待测液体，比如水、盐水、血液、药液以及很多化学液体等的声速都在1000-2000m/s之间，本实施例中需要满足所述管路主体22和所述导波结构21的材料的声速与待测液体的声速相等或者相近。具体的，所述管路主体22和所述导波结构21的材料的声速与待测液体的声速相差不超过20％，这样才能保证所述超声波换能器11发射的超声波经所述导波结构21穿过所述管路主体22进入待测液体的过程中，超声波信号在所述耦合界面以及所述管路主体22与所述导波结构21的交界面上不会发生扭曲或者变形，也不会在不同材料的边界发生强烈的反射，会自然地过渡进入所述管路主体22和待测液体中，进而继续向前传播。同理可得，超声波在经所述导波结构21穿过所述耦合界面被所述超声波换能器11接收的过程中，超声波信号也不会发生扭曲或者变形，可较高效地被所述超声波换能器所接收。可见，在测量时超声波在传播过程中的能量损耗较小，所述超声波换能器发射和接收的效率也较高，可以带来较高的信噪比，有利于提高所述超声波流量计的测量精度。

例如，所述管路主体和所述导波结构的材料可以为Teflon、PFA、polyurethane材料或者其他声速在1000-2000m/s之间的塑料、橡胶、复合型材料等，这里对所述管路主体和所述导波结构的具体材料不作限定，只要满足所述管路主体和所述导波结构的材料的声速与待测液体的声速相等或者相近即可。

所述超声波流量测量电路和软件系统可以与所述超声波传感器集成一个整体，也可以外置在单独的封装中并与所述超声波传感器通过电缆连接。超声波在管路流体中的传播路径称为声学通路，在超声波流量计的测量过程中，声学通路越长，液体流动带来的顺流逆流的超声波传播时差或相位差越大，越有利于所述超声波流量测量电路和软件系统对之进行解析，进而精确计算出液体的流速和流量。本实施例中，所述导波结构21的本质是超声波的传递媒介，用于把超声波换能器11产生的超声波导入所述管路主体22里的待测液体中，其中，所述耦合界面与所述管路主体22的中轴线垂直，一个所述超声波换能器11发射的超声波方向与待测液体的流动方向平行，然后通过导波结构21扩散进入待测液体内，这样所述超声波可有效进入待测液体中并可在直管状的管路主体22中向前传播被另一个所述超声波换能器接收，超声波的有效声学通路得到了增长，从而减小了测量误差、提高了测量精度，而且更易于对小直径管路内的低流速液体进行流量测量。

本实施例中，所述流体管路是一体化加工成型，例如，如图2所示，所述管路主体22与所述导波结构21一体化加工成型，具体的，可以通过一次注塑成型，也可以由机械方法一体化加工而成，这样两者连接的紧密型较强。

在实际应用中，可以用粘合剂把所述超声波换能器11和所述导波结构21紧密粘合在一起，也可以通过机械或其他物理方式对所述超声波换能器11和所述导波结构21施加压力，使二者在耦合界面处紧密连接从而达到声学耦合的目的。其中对两者施压的方式不作限定，可以采用一种特殊设计的夹具，或者弹簧装置，或者卡扣，或者通过磁力吸附，或者通过螺纹螺栓紧固等等。

如果是通过机械或其他物理方式对超声波换能器和导波结构施加压力，使二者在耦合界面处紧密连接，那么所述导波结构21与所述超声波换能器11在所述耦合界面的连接处之间还设有耦合材料，因为所述超声波换能器11和所述导波结构21的表面都比较坚硬，因此二者在在耦合界面连接处之间需要借助耦合材料排尽空气，增加两者连接的紧密程度，以保证超声波信号尽可能多的穿过耦合界面。所述耦合材料可以是橡胶、柔性塑料、硅胶等，也可以是油脂，类似果冻的材料或者其他液体材料。

进一步的，所述管路主体的横截面可以为圆形、椭圆形、方形或者长方形。

进一步的，所述导波结构的形状为圆柱体、正方体、长方体或者锥体。

进一步的，所述超声波换能器的形状为一个带孔的圆形、两个带孔的半圆形、带孔的正方形或者带孔的长方形，而孔可以为圆形、椭圆形、方形或者长方形。

进一步的，两个所述流体接口的流体接头形式不作限定，可以为直圆管，或者鲁尔接头，或者宝塔接头，或者螺纹接头，或者其他的流体接头。

本实施例提供的超声波流量计的工作原理如下：

测量时，所述待测液体从所述流体入口231流入所述流体管路，然后从流体出口232流出所述流体管路，位于管路主体22一端的超声波换能器11在周期性电信号的激发下在其厚度方向上产生共振，发射出超声波信号，所述超声波信号首先穿过所述耦合界面在所述导波结构21中传播，随后经所述导波结构21逐渐扩散到管路主体22内的待测液体中，因为所述导波结构21、所述管路主体22和待测液体的声速相同或者非常接近，所以超声波信号在其两两相交的界面上不会发生扭曲或变形，超声波信号会自然地过渡进入管路主体22内的待测液体中并继续向前传播，进入位于管路主体22另一端的导波结构中被另一端的超声波换能器11所接收。同理，位于管路主体另一端的超声波换能器11也可作为发射端向管路主体22中发射超声波并被位于管路主体22一端的超声波换能器11所接收，然后两个所述超声波换能器11分别将自己发射和接收超声波的相关信息上传给超声波流量测量电路和软件系统，最终超声波流量测量电路和软件系统根据两个所述超声波换能器11接收到的顺流逆流超声波信号的时间差或者相位差来计算流体流速和流量。

可见，本实施中的超声波流量计通过导波结构21将一个超声波换能器11发射的超声波扩散到管路主体22内的待测液体中，这样所述超声波可有效进入待测液体中并可在直管状的管路主体中向前传播被另一个超声波换能器接收，有效地增长了超声波在待测液体内的声学通路，且管路主体22的直管状设计可有效减少压力损失，提高待测液体对超声波的运送效率，从而减小了测量误差、提高了测量精度，方便于对小直径管路内的低流速液体进行流量测量。

<实施例二>

与实施例一的区别在于：本实施例中的超声波流量计，所述流体管路是分体式加工，所述管路主体22与所述导波结构21分别加工，并通过机械方式压紧连接成型、或者超声波焊接成型或者通过粘合的方式连接成型。

具体的，如图3所示，将两个所述导波结构21加工成两个实心圆柱体结构，且其内直径稍大于所述管路主体22的外径，然后两者再进行紧密连接，具体的，所述管路主体22与所述导波结构21可以通过机械方式压紧，也可以采用粘合剂、油脂或高粘稠度材料的粘合剂进行粘合连接成型，这样既可保证两者连接的紧密性又方便加工。

<实施例三>

与实施例二区别在于：本实施例的超声波流量计中，所述流体管路分为至少两个部分分别加工，其中有两个部分包括一个导波结构21和一部分管路主体22。

具体的，请参阅图4，为了加工方便，所述流体管路22和导波结构21分为3部分加工，其中有两部分包括一个导波结构21和一部分管路主体22，另一个部分只包括一部分管路主体22，然后依次紧密连接在一起，对其连接方式不作具体限定，可以采用机械方法，或者粘合，或者焊接。

<实施例四>

与实施例二的区别在于：本实施例的超声波流量计中，两个所述导波结构21是空心密封结构，里面注满和待测液体声速相同或相似的液体。

请参阅图5，图5是本实施例提供的一种超声波流量计中所述流体管路的结构示意图。

所述导波结构21是一个具有开口的空心结构，并配有与该开口相匹配的封盖，以用来密封所述导波结构21。密封前可以先往空心结构中注满不含气泡的液体，或者，在空心结构的周壁处开设一个小孔，待封盖密封后再从小孔中注入液体。需要说明的是，往空心结构中注入的液体的声速需要与待测液体的声速相等或者接近。

具体的，封盖密封所述导波结构21的方式可以是机械方法，也可以是粘合，焊接等，此时，所述封盖的外层表面即为与所述超声波换能器耦合连接的耦合界面。

<实施例五>

与实施例一的区别在于：本实施例中的超声波流量计中，两个所述导波结构21为锥体，请参阅图6，其末端直径逐渐变小呈锥状。锥状的导波结构21可以减小超声波传播至其末端时的反射，从而让更多的超声波进入到所述管路主体22内的待测液体中，以增加信噪比，提高测量精度。

<实施例六>

与实施例五的区别在于：本实施例的超声波流量计中，两个所述导波结构21的末端直径以一个更加圆润的弧度逐渐变小，请参阅图7。

<实施例七>

与实施例一区别在于：本实施例的超声波流量计中，所述导波结构21上的耦合界面为正方形，请参阅图8。另外，所述导波结构21上的耦合界面也可以是长方形、椭圆形或三角形等。

综上所述，本发明提供的一种超声波流量计，具有以下优点：所述超声波流量计包括超声波传感器、流体管路以及与所述超声波传感器电连接的超声波流量测量电路和软件系统，其中，所述超声波传感器包括两个用于轮流发射和接收超声波信号的超声波换能器，所述流体管路包括管路主体和两个导波结构，所述管路主体为直管状，待测液体在所述管路主体内流动，两个所述导波结构分别设置在所述管路主体的外周且间隔一段距离，两个所述导波结构相背的端面为两个耦合界面，两个所述超声波换能器分别在两个所述耦合界面上与所述流体管路耦合连接，一个所述超声波换能器发射的超声波信号能被另一个所述超声波换能器接收，所述超声波流量测量电路和软件系统，用于根据两个所述超声波换能器接收到的超声波信号测量流体流速。本申请中通过所述导波结构将所述超声波换能器发射的超声波扩散到所述管路主体内的待测液体中，这样所述超声波可有效进入待测液体中并可在直管状的管路主体中向前传播，有效地增长了超声波在待测液体内的声学通路，且管路主体的直管状设计可有效减少压力损失，提高待测液体对超声波的运送效率，从而减小了超声波流量计的测量误差、提高其测量精度，方便于对小直径管路内的低流速液体进行流量测量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超声波流量计，其特征在于，包括：

超声波传感器，包括两个超声波换能器，用于轮流发射和接收超声波信号；

流体管路，包括管路主体和两个导波结构，所述管路主体为直管状，待测液体在所述管路主体内流动，两个所述导波结构分别设置在所述管路主体的外周且间隔一定距离，两个所述导波结构相背的端面为两个耦合界面，两个所述超声波换能器分别在两个所述耦合界面上与所述流体管路耦合连接，一个所述超声波换能器发射的超声波信号能被另一个所述超声波换能器接收；

超声波流量测量电路和软件系统，与所述超声波传感器电连接，用于根据两个所述超声波换能器接收到的超声波信号的时间差或相位差测量所述待测液体的流速。

2.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述管路主体和所述导波结构的材料为塑料或橡胶，并且所述管路主体和所述导波结构的材料的声速与待测液体的声速相差不超过20％。

3.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述流体管路为一体化加工成型。

4.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述流体管路为分体式加工，并通过机械方式压紧连接成型，或通过超声波焊接成型，或通过粘合剂、油脂、或高粘稠度材料粘合的方式连接成型。

5.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述导波结构与所述超声波换能器通过物理方式施压实现耦合连接，并且所述耦合界面的连接处之间还设有声学耦合材料。

6.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述导波结构与所述超声波换能器通过粘合剂粘合实现耦合连接。

7.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述导波结构为实心结构。

8.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述导波结构为空心密封结构，里面注满与所述待测液体声速相同或相似的液体。

9.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述管路主体的横截面为圆形、椭圆形、正方形或者长方形，所述导波结构的形状为圆柱体、正方体、长方体或者锥体。

10.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波换能器的形状为一个带孔的圆形、两个带孔的半圆形、带孔的正方形或者带孔的长方形，所述孔为圆形、椭圆形、方形或者长方形。

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