CN113514664A - 一种内置温压检测的超声波流速传感器及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置温压检测的超声波流速传感器及安装方法，包括外壳体，所述外壳体内安装有温度传感器、压力传感器、超声波传感器和主板，所述主板内置有温压调理电路、MCU、电源模块和单总线控制器，所述主板的一侧通过引线与所述温度传感器、压力传感器、超声波传感器相连接，所述主板的另一侧连接有对外输出线束。本发明能够在提高集成度同时简化线缆的数量。

Description

一种内置温压检测的超声波流速传感器及安装方法

技术领域

本发明属于超声波流速传感器技术领域，具体涉及一种内置温压检测的超声波流速传感器及安装方法。

背景技术

在使用超声波流量计对气体以及燃气等贸易交接的过程计量中，需要将超声波流量计测量得到的工况体积流量转化为标况体积流量，根据《GB/T 18604-2014 》的标准在转化计算的过程中需要对管道内部的流体介质温度和压力进行测量,转化公式如下：

其中pf以及Tf为管道流体介质的温度和压力，现有的超声波流量计计量过程中都需要通过外部的温度和压力变送器对流体介质进行测量。

申请号为202020996860.6中国实用新型专利公开了民用超声波燃气表检测电路，包括：MCU、超声波换能器、模拟前端电路、显示电路和阀门控制电路；超声波换能器与模拟前端电路连接，模拟前端电路、显示电路、阀门控制电路均与MCU连接；模拟前端电路依次包括超声波激励电路、信号采样电路和信号处理电路，信号处理电路与MCU连接；超声波换能器包括相连接的上游超声波换能器和下游超声波换能器，上游超声波换能器与超声波激励电路连接，下游超声波换能器与信号处理电路连接。本实用新型提高了超声波燃气表的计量精度以及量程范围，并且具有温压补偿功能。上述专利中的温压采样电路设置在管体外部，而部分管体容易存在由于自身长度、空间以及形状尺寸等问题无法外置温度和压力变送器，且现有的传感器信号线所用线缆较多，容易混乱。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种内置温压检测的超声波流速传感器，包括外壳体，所述外壳体内安装有温度传感器、压力传感器、超声波传感器和主板，所述主板内置有温压调理电路、MCU、电源模块和单总线控制器，所述主板的一侧通过引线与所述温度传感器、压力传感器、超声波传感器相连接，所述主板的另一侧连接有对外输出线束。

较佳的，所述外壳体的一侧开设有取压孔，所述压力传感器安装于取压孔的内部，所述外壳体与取压孔对称的一侧安装有温度传感器，所述温度传感器的前端为探头部分，所述探头部分延伸至外壳体外部并与外壳体一体成型。

较佳的，所述外壳体内部为空腔结构并填充有灌封胶，所述超声波传感器设置于外壳体内部底端，所述主板设置于外壳体内部顶端。

较佳的，所述对外输出线束供设有四根，分别为电源线VCC、温压数据线DATA，超声波信号线SIG，以及系统地线GND。

较佳的，所述外壳体的材质采用不锈钢或者钛合金。

一种内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，包括以下步骤：

S1、安装超声波传感器，将超声波传感器通过胶水耦合在外壳体内侧的底部；

S2、安装温、压传感器，将温度传感器和压力传感器分别安装在外壳体内部两侧；

S3、安装主板，先通过灌装环氧树脂胶水的方式将主板预装位置以下的部分完全灌封，在之后在外壳体内侧顶部预装位置安装主板；

S4、安装对外输出线束，将对外输出线束通过焊接的方式与主板相连接；

S5、将外壳体安装在待检测的管体上，所述外壳体的安装位置满足以下条件：温度传感器探头部分到管体进口部分的距离与管体的长度的比值等于温度传感器探头部分到管体出口部分的距离与温度传感器探头部分到管体进口部分的距离比值。

较佳的，所述管体直径小于管体的长度的十分之一。

较佳的，所述管体直径小于管体的长度的二十分之一

较佳的，所述管体为直管，管体的内部直径相同，所述管体的外侧设有隔温层。

较佳的，还包括步骤S41，所述步骤S41在步骤4之后，检测管体的内部侧壁是否附着污垢，如果有则清理掉，如果没有则执行步骤S5

本发明的优点为：

1.本发明的超声波流量计内置温度以及压力传感器，在测量管道流速的同时通过内部的微控制器将温度以及压力数据测量完成并且通过单总线的方式将温压数据传送给流量计变送器，具有高度集成且简化线缆的数量的优点，解决现有由于管道长度以及空间问题不能外置温度和压力变送器的问题。

2.本发明中超声波流量计所安装的位置能够准确检测出管体的内部流体的平均温度，无需设置多个温度传感器进行计算。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图；

图2为本实用传感器位置示意图；

图3为本发明系统框架图；

图4为本发明检测装置实验图。

图中：1外壳体、2温度传感器、3压力传感器、4超声波传感器、5主板、6取压孔、7探头部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1-3所示，一种内置温压检测的超声波流速传感器，包括外壳体1，外壳体1内安装有温度传感器2、压力传感器3、超声波传感器4和主板5，外壳体1使用不锈钢或者钛合金的外壳进行加工，保证了在受压以及具有腐蚀的介质下能够正常的使用，以及作为超声波传感器4和温压传感器的结构支撑，主板5内置有温压调理电路、MCU、电源模块和单总线控制器，主板5的一侧通过引线与温度传感器2、压力传感器3、超声波传感器4相连接，主板5的另一侧连接有对外输出线束。主板5连接超声波传感器4，并将传感器的两线转为SMA以及BNC等同轴线的接口，温度传感器2、压力传感器3通过引线连接到主板5上，温压模拟信号经过温压调理电路后连接到MCU控制单元，MCU控制单元将读取到的温压信号转化为数字量，并且通过单总线的方式将测量的信息发送给流量计变送器，在现有的传感器信号线的基础上以单总线的方式进行温压数字通信，简化线缆的数量，对外输出线束供设有四根，如图3中L1-L4所示，分别为电源线VCC、温压数据线DATA，超声波信号线SIG，以及系统地线GND，电源线VCC、温压数据线DATA，超声波信号线SIG共用GND作为地平面，四根对外输出线束焊接在主板5上供变送器进行控制和温压数据的读取，外壳体1的一侧开设有取压孔6，压力传感器3安装于取压孔6的内部，通过取压孔6，外壳体1内置的压力传感器3能够准确实时的测量管道内部流体的压力值，外壳体1与取压孔6对称的一侧安装有温度传感器2，温度传感器2的前端为探头部分7，探头部分7延伸至外壳体1外部并与外壳体1一体成型，外壳体1内部为空腔结构并填充有灌封胶，超声波传感器4设置于外壳体1内部底端，主板5设置于外壳体1内部顶端。本实施例在超声波流速传感器内部整合超声波传感器4、温度传感器2、压力传感器3，通过内置的微型处理单元，采集温度和压力的测量值转化为单总线通信的数据量，在现有超声波探头的基础上增加了温度以及压力的测量，通过单总线的方式传输给流量计，具有高度集成且简化线缆的数量的优点，解决现有由于管道长度以及空间问题不能外置温度和压力变送器的问题。

实施例2

一种内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，包括以下步骤：

S1、安装超声波传感器4，将超声波传感器4通过胶水耦合在外壳体1内侧的底部；

S2、安装温、压传感器，将温度传感器2和压力传感器3分别安装在外壳体1内部两侧；

S3、安装主板5，先通过灌装环氧树脂胶水的方式将主板5预装位置以下的部分完全灌封，在之后在外壳体1内侧顶部预装位置安装主板5；

S4、安装对外输出线束，将对外输出线束通过焊接的方式与主板5相连接；

步骤S1至S4中为超声波流速传感器的组装过程，组装之后需要将超声波流速传感器安装在待检测的管体上，对管道内部的流体介质温度和压力进行测量，管道内部的流体介质在流经管道时，温度会发生变化，在进行转化换算时，需要计算的管体内流体介质的平均温度，在现有技术中，克服此问题的方法是采用多个温度传感器2检测管体不同距离段流体介质的温度，从而计算出管体内流体介质的平均温度，但是如此需要巨大的成本以及复杂的安装过程，经研究发现，管体上有一处所检测到温度与平均温度极为接近，该处位置满足以下条件：温度传感器2探头部分7到管体进口部分的距离与管体的长度的比值等于温度传感器2探头部分7到管体出口部分的距离与温度传感器2探头部分7到管体进口部分的距离比值。如图4所示，温度传感器2探头部分7到管体进口部分的距离为b，温度传感器2探头部分7到管体出口部分的距离为a，a与b满足以下关系式：

,在本实施例中，寻找一根测量管体，管体的总长度为200dm，管体的直径为5dm，计算出b的长度为123.6dm，a的长度为76.4dm，将超声波流速传感器嵌入管体上，使得温度传感器2探头部分7的位置处于a与b的交集点，在管体下方内侧壁上每隔20dm设置一个温度传感器2，之后管体的前端设置气体泵，以不同的流速往管体进口处通入温度为30°的气体，通过管体下方内侧壁上温度传感器2监测不同位置的空气温度，具体参数如下表1所示出；

根据表1计算不同流速下管体内空气的平均温度，同时记录管体上方温度传感器2探头所记录的温度参数，具体参数如下表2所示；

从表1和表2的参数可以获知，通过本申请中安装方法所安装的温度传器测量的温度值与管体内流体的平均温度值最为接近，通过安装一个温度传感器2就能够实现多个传感器所达到的效果，且不受流体流速的制约。

为了进一步测试不同因素对该安装位置所测量的温度参数准确性的影响，测量六根管体，六根管体除直径不同，管体长度均为200dm，依旧往六根管体内通入相同温度和流速的空气，根据上述方法测算六根管体内流体的平均温度以及特定位置所监测的温度，具体参数如下表3所示：

由上表可以得知，特定位置传感器探头监测的温度与平均温度的差值随着管体的直径变大而变大，也就是说本申请中的特定安装位置受到管体直径的影响，推测为管体直径越大，流体与管体内部的接触面积越大，从而加快了温度流失，从图中可以得知，管体直径小于管体的长度的十分之一时，传感器探头监测的温度与平均温度的差值为可接受的范围，管体直径小于管体的长度的二十分之一时，传感器探头监测的温度与平均温度的差值几乎为零，因此，在这个范围内，特定位置传感器探头监测的温度最接近为平均值，能够有效的符合超声波流速传感器中对管道内部的流体介质温度检测需求。待测的管体优选为直管，管体的内部直径相同，所述管体的外侧设有隔温层，可以尽量减少外部环境温度影响，还包括步骤S41，所述步骤S41在步骤4之后，检测管体的内部侧壁是否附着污垢，如果有则清理掉，如果没有则执行步骤S5，清理污垢以减小对管体内流体介质流速的影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种内置温压检测的超声波流速传感器，其特征在于：包括外壳体（1），所述外壳体（1）内安装有温度传感器（2）、压力传感器（3）、超声波传感器（4）和主板（5），所述主板（5）内置有温压调理电路、MCU、电源模块和单总线控制器，所述主板（5）的一侧通过引线与所述温度传感器（2）、压力传感器（3）、超声波传感器（4）相连接，所述主板（5）的另一侧连接有对外输出线束。

2.根据权利要求1所述的内置温压检测的超声波流速传感器，其特征在于：所述外壳体（1）的一侧开设有取压孔（6），所述压力传感器（3）安装于取压孔（6）的内部，所述外壳体（1）与取压孔（6）对称的一侧安装有温度传感器（2），所述温度传感器（2）的前端为探头部分（7），所述探头部分（7）延伸至外壳体（1）外部并与外壳体（1）一体成型。

3.根据权利要求2所述的内置温压检测的超声波流速传感器，其特征在于：所述外壳体（1）内部为空腔结构并填充有灌封胶，所述超声波传感器（4）设置于外壳体（1）内部底端，所述主板（5）设置于外壳体（1）内部顶端。

4.根据权利要求3所述的内置温压检测的超声波流速传感器，其特征在于：所述对外输出线束供设有四根，分别为电源线VCC、温压数据线DATA，超声波信号线SIG，以及系统地线GND。

5.根据权利要求4所述的内置温压检测的超声波流速传感器，其特征在于：所述外壳体（1）的材质采用不锈钢或者钛合金。

6.一种内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、安装超声波传感器（4），将超声波传感器（4）通过胶水耦合在外壳体（1）内侧的底部；

S2、安装温、压传感器，将温度传感器（2）和压力传感器（3）分别安装在外壳体（1）内部两侧；

S3、安装主板（5），先通过灌装环氧树脂胶水的方式将主板（5）预装位置以下的部分完全灌封，在之后在外壳体（1）内侧顶部预装位置安装主板（5）；

S4、安装对外输出线束，将对外输出线束通过焊接的方式与主板（5）相连接；

S5、将外壳体（1）安装在待检测的管体上，所述外壳体（1）的安装位置满足以下条件：温度传感器（2）的探头部分（7）到管体进口部分的距离与管体的长度的比值等于温度传感器（2）的探头部分（7）到管体出口部分的距离与温度传感器（2）探头部分（7）到管体进口部分的距离比值。

7.根据权利要求6所述的内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，其特征在于：所述管体直径小于管体的长度的十分之一。

8.根据权利要求7所述的内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，其特征在于：所述管体直径小于管体的长度的二十分之一。

9.根据权利要求8所述的内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，其特征在于：所述管体为直管，管体的内部直径相同，所述管体的外侧设有隔温层。

10.根据权利要求9所述的内置温压检测的超声波流速传感器的安装方法，其特征在于：还包括步骤S41，所述步骤S41在步骤4之后，检测管体的内部侧壁是否附着污垢，如果有则清理掉，如果没有则执行步骤S5。

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