CN117387708A - 一种基于分瓣换能器的超声水表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水表领域，公开了一种基于分瓣换能器的超声水表，包括分瓣换能器、水表壳体、反射镜、采集与控制模块、通讯模块。换能器包括分瓣压电陶瓷、胶层以及匹配层。水表壳体包括上部壳体与管段。上部壳体连接管段壳体外壁；压电陶瓷、胶层、采集与控制模块、通信模块在上部壳体内；压电陶瓷下方设胶层，胶层下方连接管段上方的匹配层形成换能器。本发明通过多声道提高了测量精度，解决了复杂流场下的精度不足问题，以一对换能器实现了多声道测量，解决了多声道超声水表成本高、结构复杂的问题，通过控制模块实现声道数量调节来拓展功能，实现高精度、高可靠性、多功能的计量。

Description

一种基于分瓣换能器的超声水表

技术领域

本发明涉及水表技术领域，尤其涉及一种基于分瓣换能器的超声水表。

背景技术

近年来，物联网与智慧水务系统的飞速发展，作为两者交叉而产生的超声水表相比传统水表而言具有精度高、寿命长、可靠性好等优点。

超声水表是一种流体计量检定装置，其基本原理是通过一对布置在管段上下游的换能器发射与接收可在水中传播的超声信号，利用时差法原理计算获得该声道中的流速，进而通过校准实现对流量的计量。当前在超声水表领域的产品多为单声道超声水表，主要原因是多声道超声水表成本高、结构复杂。当单声道超声水表面临管段气泡、涡流以及复杂流场状况时，单声道超声水表的精度会不可避免的下降，而多声道超声水表则能克服这个问题。多声道超声水表相对于单声道超声水表而言，具有更高的测量精度与可靠性，特别是在低流速的测量，以及高流速产生涡旋的情况下尤为明显。

目前在超声水表领域，利用多声道设计提高超声水表计量精度的手段均是通过增加换能器或反射镜数量来实现的，这增加了成本和结构复杂性。其中如专利CN216206701U，通过添加换能器数量来增加声道数量提高测量精度，这提高了超声水表的成本；再如专利CN105784033B，采用在超声传感器支架上安装成对的传感器对来构筑多声路的方案，这增加了结构复杂度与安装困难性；此外，多声道超声水表往往缺乏对声道数量的管理调控，功能单一，不能根据所需情形与功能调整声道数量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种超声水表，既解决了单声道水表计量精度不足，复杂情况下可靠性低的问题，又克服了依靠堆叠换能器实现多声道所造成的成本高、结构复杂的问题，还可以通过控制模块实现对声道数量的调节来拓展功能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

一种超声水表，包括一对分瓣换能器、水表壳体、2个反射镜、采集与控制模块以及通讯模块。

换能器包括分瓣的压电陶瓷、胶层以及匹配层。

水表壳体包括上部壳体与管段壳体。

上部壳体连接管段壳体外壁；压电陶瓷、胶层、采集与控制模块以及通信模块均位于上部壳体内；压电陶瓷正下方设有胶层，胶层正下方连接管段壳体的上方的匹配层，形成换能器；2个反射镜分别装在2个换能器正下方管段壳体的对侧内壁上；一对换能器通过导线和采集与控制模块连接。

优选地，通过分瓣的压电陶瓷将每个换能器划分成多个区域，在一对换能器之间产生多个声道。

优选地，所述分瓣的方式包括但不限于电极分割与压电陶瓷开槽。

优选地，可通过采集与控制模块激励换能器不同的分瓣来控制声道数量。

优选地，超声水表的具体工作模式如下。

默认模式：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣均接收信号。

高精度测量模式：当采集与控制模块检测到前后两次上下游换能器接收信号的信噪比差异超过设定值时，工作模式变更为：发送端换能器的各瓣均发射信号，接收端换能器的各瓣均接收信号。

该模式下，在检测到管段内水流为静水状态时，自动切换至默认模式。

低功耗模式：在检测到管段内水流持续保持静水状态的时间到达设定值时，通讯模块上报该用户处于长时间未用水的状态，同时，采集与控制模块将工作模式调节为：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的一瓣接收信号。

该模式下，当检测到脱离静水状态时，自动切换至默认模式，同时通讯模块会上报该用户长时间未用水的状态解除。

水垢检测模式：在水表运行时间超出设定值时，采集与控制模块将工作模式调节为：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣逐一地接收信号；完成后发送端换能器的下一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣再次逐一地接收信号；以此类推，直至接收端换能器各瓣均接收过发送端换能器各瓣发射的信号。

通过对比每瓣对应声道的上下游换能器接收信号信噪比的差异来判断反射镜某处是否结垢。

本发明的有益技术效果：既通过多声道提高了测量精度，同时也解决了复杂流场下的精度不足问题，又以一对换能器实现了多声道测量，解决了多声道超声水表成本高、结构复杂的问题，还可以通过控制模块实现对声道数量的调节来拓展功能，从而实现高精度、高可靠性以及多功能模式的计量。

附图说明

图1为本发明实施例所述超声水表主视剖视图。

图2为本发明实施例所述超声水表俯视图。

图3为本发明实施例中俯视角度下两分瓣换能器产生的声道图。

图4为本发明实施例中三分瓣换能器的俯视图。

附图标号：1为两分瓣上游侧换能器，101、102为两分瓣上游侧换能器的单瓣，103为两分瓣上游侧换能器翻边的负极；2为两分瓣下游侧换能器，201、202为两分瓣下游侧换能器的单瓣，203为两分瓣下游侧换能器翻边的负极，3、4为三分瓣换能器，301、302、303、401、402、403为三分瓣换能器的单瓣，304、404为三分瓣换能器翻边的负极；5为上游侧反射镜；6为下游侧反射镜；7为上部壳体；8为管段壳体；9为采集与控制模块；10为通讯模块；11为导线；A、B、C、D为一对两分瓣换能器产生的四条声道。

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。

实施例：一种超声水表，如图1所示，包括一对两分瓣换能器1、2，水表壳体，反射镜5、6，采集与控制模块9，通讯模块10。

如图2所示，多声道换能器1、2包括一对电极分瓣数目为两瓣的压电陶瓷101、102与201、202，其中103与203为翻边的负极，胶层与匹配层依次位于压电陶瓷的垂直下方；两片反射镜5、6分别位于换能器1、2垂直下方的管段壳体内部。

水表壳体一体注塑成型，包括上部壳体7与管段壳体8。

其连接关系为：上部壳体7连接管段壳体8外壁；压电陶瓷、胶层、采集与控制模块9以及通讯模块10均位于上部壳体7内；压电陶瓷正下方设有胶层，胶层正下方连接管段壳体8的上方的匹配层，形成一对分瓣的换能器1、2；反射镜5、6分别装在换能器1、2正下方管段壳体8的对侧内壁上；上部壳体7内放置采集与控制模块9以及通信模块10；一对换能器1、2通过导线11和采集与控制模块9连接；箭头的方向表示水流的流向。

在实施例中，如图3所示，通过简易的电极分割，将上游换能器1的正极划分成两个区域101、102，与翻边的负极103一同通过导线11连接至采集与控制模块9；同样地，下游换能器2也是如此，这样便实现了一对换能器具有四个声道的功能，进而从根本上克服了多声道超声水表成本高、结构复杂的问题。

默认模式即单瓣发射-两瓣接收模式，此模式下采集与控制模块9会按照101-201-102-202的顺序依次循环激励四个单瓣换能器。

S1，单瓣换能器101先被激励从而产生超声波信号，经反射镜5反射后产生两条声路，其中一条水平声路A1与201对应，另一条倾斜声路B1与202对应。

S2，下游的201、202完成信号接收后，采集与控制模块9激励201作为发射端，产生两条声路，其中水平声路A2与101对应，另一条倾斜声路C2与102对应，同时采集与控制模块9处理A1、A2的信号数据，获得A声道的信息。

S3，激励102作为发射端，产生一条与201对应的倾斜声道C1，一条与202对应的水平声道D1，同时采集与控制模块9处理C1、C2的信号数据，获得C声道的信息。

S4，激励202作为发射端，产生一条与101对应的倾斜声道B2，一条与102对应的水平声道D2，同时采集与控制模块9处理B1、B2与D1、D2的数据，获得B、D声道的信息。

一个循环后，四个单瓣换能器101、102、201、202依次被激励，总计激励四次，期间采集与控制模块9依次获取计算得A、B、C、D四个声道的信息，依据这些信息可以进一步地优化处理计算，获得真实流量，这可以有效地提高计量精度与可靠性，从一定程度上避免，由低流速导致的测不准，以及高流速下气泡、涡旋所带来的影响。经实验证明，该四个声道A、B、C、D的信噪比均满足计量要求。

在实施例中，基于可调多声道换能器技术的超声水表可以通过采集与控制模块9调节换能器1、2发射与接收的瓣数来控制声道数量，实现高精度测量以及依据所需情形与功能调节切换工作模式，具体的工作模式如下。

默认模式：一对两分瓣换能器1、2采取单瓣发射-两瓣接收的两声道模式。

高精度测量模式：当采集与控制模块9检测到前后两次信号的信噪比差异超过设定值时，这通常是由于该声道产生气泡干扰或存在涡流，采集与控制模块9调节换能器1、2采用101、102两瓣发射，201、202两瓣接收的四声道模式；待下游两瓣换能器201、202接收信号完成后，由201、202发射信号，101、102接收信号，采集与控制模块9同时根据A、B、C、D四条声道的信息数据进行处理计算，实现高精度测量。

该模式下，在检测到管段内水流为静水状态时，自动切换至默认模式。

低功耗模式：在检测到管段内水流持续保持静水状态的时间到达设定值时，通讯模块10上报该用户处于长时间未用水的状态，同时，采集与控制模块9将工作模式调节为：发送端单瓣换能器101或102发射信号，接收端单瓣换能器201或202接收信号。

该模式下，当检测到脱离静水状态时，自动切换至默认模式，同时通讯模块10上报该用户长时间未用水的状态解除。

4、水垢检测模式：在水表运行时间超出设定值时，采集与控制模块9将工作模式调节为：发送端换能器1的一瓣101发射信号，接收端换能器2的两瓣201与202逐一地接收信号；完成后发送端换能器1的下一瓣102发射信号，接收端换能器2的两瓣201与202再次逐一地接收信号；以此类推，直至接收端换能器2的各瓣均接收过发送端换能器1的各瓣发射的信号。

通过对比每瓣对应声道的上下游换能器接收信号信噪比的差异来判断反射镜某处是否结垢。

在实施例中，应用于超声水表的多声道换能器中的压电陶瓷分瓣数目至少为两瓣，也可以是三瓣。如图4所示，通过以翻边的负极304、404圆弧为射线点源，对正极进行三等分，301、302、303、401、402、403即为单瓣的压电陶瓷换能器，由此组成的多声道换能器的声道数最高可为9。换能器的分瓣数目包括但不限于三瓣、四瓣、五瓣及更多瓣，以提供所需的声道数量；所述分瓣的方式包括但不限于电极分割与压电陶瓷开槽；所述电极分割方式包括但不限于丝网印刷、圆盘切分、模具冲压以及激光切割。

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 (5)

1.一种基于分瓣换能器的超声水表，其特征在于，包括一对分瓣换能器、水表壳体、2个反射镜、采集与控制模块以及通讯模块；

换能器包括分瓣的压电陶瓷、胶层以及匹配层；

水表壳体包括上部壳体与管段壳体；

上部壳体连接管段壳体外壁；压电陶瓷、胶层、采集与控制模块以及通信模块均位于上部壳体内；压电陶瓷正下方设有胶层，胶层正下方连接管段壳体的上方的匹配层，形成换能器；2个反射镜分别装在2个换能器正下方管段壳体的对侧内壁上；一对换能器通过导线和采集与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于分瓣换能器的超声水表，其特征在于，通过分瓣的压电陶瓷将每个换能器划分成多个区域，在一对换能器之间产生多个声道。

3.根据权利要求1所述的一种基于分瓣换能器的超声水表，其特征在于，所述分瓣的方式包括但不限于电极分割与压电陶瓷开槽。

4.根据权利要求1所述的一种基于分瓣换能器的超声水表，其特征在于，可通过采集与控制模块激励换能器不同的分瓣来控制声道数量。

5.根据权利要求1所述的一种基于分瓣换能器的超声水表，其特征在于，超声水表的具体工作模式包括：

默认模式：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣均接收信号；

高精度测量模式：当采集与控制模块检测到前后两次上下游换能器接收信号的信噪比差异超过设定值时，工作模式变更为：发送端换能器的各瓣均发射信号，接收端换能器的各瓣均接收信号；

该模式下，在检测到管段内水流为静水状态时，自动切换至默认模式；

低功耗模式：在检测到管段内水流持续保持静水状态的时间到达设定值时，通讯模块上报该用户处于长时间未用水的状态，同时，采集与控制模块将工作模式调节为：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的一瓣接收信号；

该模式下，当检测到脱离静水状态时，自动切换至默认模式，同时通讯模块会上报该用户长时间未用水的状态解除；

水垢检测模式：在水表运行时间超出设定值时，采集与控制模块将工作模式调节为：发送端换能器的一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣逐一地接收信号；完成后发送端换能器的下一瓣发射信号，接收端换能器的各瓣再次逐一地接收信号；以此类推，直至接收端换能器各瓣均接收过发送端换能器各瓣发射的信号；

通过对比每瓣对应声道的上下游换能器接收信号信噪比的差异来判断反射镜某处是否结垢。