CN114646358A - 一种一体式超声波水表的计量模组结构及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流量计量技术领域，公开了一种一体式超声波水表的计量模组结构及其组装方法，水表管段水流向与超声波换能器中心位置的连线在水表安装平面投影的夹角为α；换能器的匹配层与管段一体注塑，压电陶瓷粘结于匹配层上表面，吸收层压紧于压电陶瓷上表面，压电陶瓷平行于水表安装平面；反射镜位于换能器正下方，与安装平面成45°，其法线在安装平面投影与水流向的夹角为α；水表计量PCB与换能器的压电陶瓷通过导电结构连接。本发明解决了目前换能器占空间、安装不便、流场不稳定、压损大、寿命短等困难，实现了整表管段无缝隙、换能器垂直安装，反射镜置于流场边缘，结构可靠、耐压性强、占空间小、易组装、寿命长、流场稳定、结果精准。
Description
技术领域
本发明涉及流量计量技术领域，尤其涉及一种一体式超声波水表的计量模组结构及其组装方法。
背景技术
超声波水表是目前应用比较广泛的水表，时差法是其常用的流量计量算法，其原理是通过超声波换能器将电信号转化为声信号，通过介质传播到另一超声波换能器，然后再将声信号转化为电信号，通过电路运算获取流量信息，因此声传播的过程对于超声波水表而言十分重要。
超声波水表常用的声路设计为对射式和反射式。对射式声路中，发射和接收超声波的超声波换能器正对放置，超声波换能器分布在管道的上下或者左右两侧，占据空间较大，且不利于安装。传统反射式声路通常将反射镜置于管道中间，这会对流场分布造成较大影响，从而影响校正系数，且会引起比较大的压损。另一方面，目前市场上的超声波换能器通常是与水表表体分开，通过垫片以及螺丝进行紧固，单独安装，长时间工作后，在经过振动、压力、高低温等作用下，容易在装配位置出现漏水等情况，导致超声波水表的计量不准确甚至失效。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种一体式超声波水表的计量模组结构及其组装方法，解决了目前超声波换能器占据空间大、安装不便、流场稳定性不好、压损大、寿命短等困难，从而实现了整表管段完整无缝隙、超声波换能器垂直安装，具有结构可靠、耐压性强、占用空间小、组装方便、使用寿命长等优势，同时，反射镜置于流场边缘位置，提升了流场稳定性，使计量结果更加准确。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种一体式超声波水表的计量模组结构，包括水表管段、至少一对超声波换能器、至少一对反射镜以及水表计量PCB；
所述水表管段包括计量管段和计量管段两端用于连接的螺纹段，水表管段的水流方向与任意一对超声波换能器中心位置的连线在水表安装平面的投影的夹角为α；
所述超声波换能器包括匹配层、压电陶瓷片、吸收层和导电结构，匹配层与水表管段为一体注塑制成，压电陶瓷片粘结于匹配层上表面，吸收层压紧于压电陶瓷片上表面，压电陶瓷片平行于水表安装平面，位于水表安装平面同一侧；
所述反射镜安装在水表管段内，位于超声波换能器正下方，与水表安装平面成45°，且其法线在水表安装平面的投影与水流方向的夹角为α；
所述水表计量PCB与超声波换能器的压电陶瓷片通过导电结构连接，固定在水表外壳内。
进一步地，所述的α＝arctan(D/L)，其中L为一对超声波换能器间距在水流方向上的投影的长度，可根据水表精度和始动流量进行设置，其取值大于等于3厘米，D为水表内管径。
进一步地，所述的水表管段为超声波水表中水流流经的部分。
进一步地，所述超声波换能器包括匹配层、压电陶瓷片、吸收层、导电结构，其中：
匹配层厚度为(2×n-1)×λ/4，其中n为正整数，λ为匹配层的波长；
压电陶瓷片为PZT-5系列；
吸收层材料为硅胶或橡胶；
导电结构的一端固定于水表计量PCB上。
进一步地，所述超声波换能器的数量为2×m个，其中m表示声路数，换能器成对使用。
进一步地，所述反射镜的数量为2×m个，其中m表示声路数，反射镜成对使用。
进一步地，所述反射镜安装在水表管段内的方式为卡扣紧固或热压或粘结。
进一步地，所述压电陶瓷片采用翻面压电陶瓷片或者双面压电陶瓷片：
翻面压电陶瓷片为将压电陶瓷片一侧电极引出到背面，若采用翻面压电陶瓷片，则使用焊接或弹片或弹簧或弹针作为导电结构；
双面压电陶瓷片为压电陶瓷片两面均覆电极，若采用双面压电陶瓷片，则引出电极的方式为两面焊接引出导线或者给底面电极加导电胶引出导线。
一种一体式超声波水表的计量模组结构的组装方法，包括以下步骤：
s1：采用注塑的方式得到一体式的超声波水表计量管段、匹配层和水表外壳；
s2：将反射镜安装在水表管段内；
s3：组装超声波换能器：
s3.1：将压电陶瓷片下表面粘结到水表管段外部的匹配层位置；
s3.2：将固定于水表计量PCB上的导电结构与压电陶瓷片正负电极连接；
s3.3：将吸收层压紧在压电陶瓷片上表面，与压电陶瓷片紧密贴合；
s4：将水表计量PCB紧固在水表外壳内部的预设位置上。
进一步地，所述s3.2中的导电结构若不是焊接方式，则需要保持有压缩量以保证连接可靠。
本发明的有益技术效果：
(1)超声波换能器与水表管段一体注塑，整表管段完整无缝隙，结构可靠，耐压性强，使用寿命长；
(2)压电陶瓷片垂直安装，使表体结构更紧凑，节约空间，且方便自动化生产安装；
(3)反射镜置于水管边缘位置，几乎不会影响流场分布以及压损，提升了流场稳定性，使计量结果更加准确。
附图说明
图1为本发明实施例所述计量模组结构的俯视图(不含水表计量PCB)。
图2为本发明实施例所述计量模组结构的A-B切面剖视图(A-B标注在图1)。
图3为本发明所述的水表安装平面，其中(a)为水平安装，(b)为垂直安装，(c)为任意角度安装，x-y平面为安装平面，箭头方向代表水流方向。
附图标号：1为水表管段，101为计量管段的螺纹段，102为计量管段，2为超声波超声波换能器，201为匹配层，202为压电陶瓷片，203为吸收层，204为导电结构，3为反射镜，4为水表计量PCB，501为螺孔，502为螺栓，A-B连线为两超声波换能器中心连线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1、2所示，一种一体式超声波水表的计量模组结构，包括水表管段1、一对超声波换能器2、一对反射镜3以及水表计量PCB4。
水表管段1为超声波水表中水流流经的部分，包括计量管段102和计量管段两端用于连接的螺纹段101，水表管段1的水流方向与一对超声波换能器2中心位置的连线在水表安装平面的投影之间的夹角为α，α＝arctan(D/L)，其中L为一对超声波换能器中心点的间距在水流方向上的投影的长度，D为水表内管径，实施例中，D＝15mm、L＝60mm。
水表安装平面如图3所示，均为图3中的x-y平面，超声波水表可以选择水平、垂直或任意角度安装。
超声波换能器2包括匹配层201、压电陶瓷片202、吸收层203和导电结构204，匹配层201与超声波水表管段1为一体注塑制成，压电陶瓷片202粘结于匹配层201上表面，吸收层203压紧于压电陶瓷片202上表面，压电陶瓷片202平行于水表安装平面，位于水表安装平面同一侧。其中：
匹配层2-1厚度为(2×n-1)×λ/4，其中n为正整数，λ为匹配层201的波长；实施例中，n＝7、λ＝2mm；
压电陶瓷片202为PZT-5系列；
吸收层203材料为硅胶；
导电结构的一端固定于水表计量PCB上。
超声波换能器2的数量为2×m个，其中m表示声路数，超声波换能器成对使用，实施例中m＝1。
反射镜3通过粘结方式安装在水表管段1内，位于超声波换能器2正下方，与水表安装平面成45°，且其法线在水表安装平面的投影与水流方向的夹角为α。反射镜3的数量为2×m个，其中m表示声路数，反射镜3成对使用，实施例中m＝1。
实施例中，超声波换能器2采用的是翻面压电陶瓷片，水表计量PCB4与超声波换能器2的翻面压电陶瓷片202以金属弹针方式连接，并固定在水表外壳内。
一种一体式超声波水表的计量模组结构的组装方法，包括以下步骤：
s1：采用注塑的方式得到一体式的超声波水表计量管段102、匹配层201和水表外壳；
s2：将反射镜3安装在水表管段1内；
s3：组装超声波换能器2：
s3.1：将压电陶瓷片202下表面粘结到水表管段1外部的匹配层201位置；
s3.2：将将固定于水表计量PCB4上的导电结构金属弹针与压电陶瓷片202正负电极连接；并保持有压缩量以保证连接可靠；
s3.3：将吸收层203压紧在压电陶瓷片202上表面，与压电陶瓷片202紧密贴合；
s4：将水表计量PCB4紧固在水表外壳内部的预设位置上。实施例中采用的是螺栓502-螺孔501紧固方式，见图1。
本发明解决了目前超声波换能器占据空间大、安装不便、流场稳定性不好、压损大、长期服役效果差等困难，从而实现了整表管段完整无缝隙、超声波换能器垂直安装，具有结构可靠、耐压性强、占用空间小、组装方便、使用寿命长等优势，同时，反射镜置于流场边缘位置，提升了流场稳定性，使计量结果更加准确。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，包括水表管段、至少一对超声波换能器、至少一对反射镜以及水表计量PCB；
所述水表管段包括计量管段和计量管段两端用于连接的螺纹段，水表管段的水流方向与任意一对超声波换能器中心位置的连线在水表安装平面的投影的夹角为α；
所述超声波换能器包括匹配层、压电陶瓷片、吸收层和导电结构，匹配层与水表管段为一体注塑制成，压电陶瓷片粘结于匹配层上表面，吸收层压紧于压电陶瓷片上表面，压电陶瓷片平行于水表安装平面，位于水表安装平面同一侧；
所述反射镜安装在水表管段内，位于超声波换能器正下方，与水表安装平面成45°，且其法线在水表安装平面的投影与水流方向的夹角为α；
所述水表计量PCB与超声波换能器的压电陶瓷片通过导电结构连接，固定在水表外壳内。
2.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述的α＝arctan(D/L)，其中L为一对超声波换能器间距在水流方向上的投影的长度，可根据水表精度和始动流量进行设置，其取值大于等于3厘米，D为水表内管径。
3.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述的水表管段为超声波水表中水流流经的部分。
4.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述超声波换能器包括匹配层、压电陶瓷片、吸收层、导电结构，其中：
匹配层厚度为(2×n-1)×λ/4，其中n为正整数，λ为匹配层的波长；
压电陶瓷片为PZT-5系列；
吸收层材料为硅胶或橡胶；
导电结构的一端固定于水表计量PCB上。
5.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述超声波换能器的数量为2×m个，其中m表示声路数，换能器成对使用。
6.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述反射镜的数量为2×m个，其中m表示声路数，反射镜成对使用。
7.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述反射镜安装在水表管段内的方式为卡扣紧固或热压或粘结。
8.根据权利要求1所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述压电陶瓷片采用翻面压电陶瓷片或者双面压电陶瓷片：
翻面压电陶瓷片为将压电陶瓷片一侧电极引出到背面，若采用翻面压电陶瓷片，则使用焊接或弹片或弹簧或弹针作为导电结构；
双面压电陶瓷片为压电陶瓷片两面均覆电极，若采用双面压电陶瓷片，则引出电极的方式为两面焊接引出导线或者给底面电极加导电胶引出导线。
9.一种一体式超声波水表的计量模组结构的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：采用注塑的方式得到一体式的超声波水表计量管段、匹配层和水表外壳；
s2：将反射镜安装在水表管段内；
s3：组装超声波换能器：
s3.1：将压电陶瓷片下表面粘结到水表管段外部的匹配层位置；
s3.2：将固定于水表计量PCB上的导电结构与压电陶瓷片正负电极连接；
s3.3：将吸收层压紧在压电陶瓷片上表面，与压电陶瓷片紧密贴合；
s4：将水表计量PCB紧固在水表外壳内部的预设位置上。
10.根据权利要求9所述的一种一体式超声波水表的计量模组结构，其特征在于，所述s3.2中的导电结构若不是焊接方式，则需要保持有压缩量以保证连接可靠。
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|---|---|---|---|---|
| CN115493662A (zh) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 成都流体动力创新中心 | 航空航天用一体化超声波流量计及系统 |
| CN115493662B (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-03 | 成都流体动力创新中心 | 航空航天用一体化超声波流量计及系统 |
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