CN211205408U - 一种超声波换能器及超声流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超声波换能器，包括壳体、压电元件、正极通路和负极通路，壳体为具有空腔的管状结构，管状结构的一端设置有引出孔；压电元件的发射方向与壳体的轴向相互垂直；正极通路包括互连的弹簧Ⅰ和正极引线，弹簧I和压电元件的内侧相抵；还包括绝缘衬套，绝缘衬套将所述弹簧Ⅰ和压电元件的内侧与壳体隔离；还包括保护罩，保护罩从外侧罩在压电元件上，且与压电元件外侧之间导电，保护罩与壳体接触，壳体和保护罩均导电；负极通路包括互连的弹簧Ⅱ和负极引线；正极引线和所述负极引线从所述引出孔引出。本实用新型的超声波换能器可有效解决L型超声波换能器制作和安装复杂的问题，还提供了一种包括上述超声波换能器的超声流量计。

Description

一种超声波换能器及超声流量计

技术领域

本实用新型涉及流量测量领域，特别是涉及一种超声波换能器及超声流量计。

背景技术

超声流量计是一种基于超声原理工作的流量测量仪表，超声波换能器是超声流量计的重要组成部分，超声流量计的基本原理是将两个超声波换能器分别安装在被测流体的上游和下游，两只超声波换能器的发射面相对互相发射、接受脉冲信号，信号处理装置通过测量已知距离间超声波脉冲顺流和逆流传波速度之差计算出流体的流速。在其他条件相同的情况下，超声波换能器之间的有效声程越长，测量的精度就会越高。

图1所示为现有技术中公开的常见的超声流量计的管段17的结构示意图，将两个普通的直式换能器18(图2)分别安装在管段17上设置的壳体16中，发射面相对设置，且发射方向与壳体的轴向相同，有效声程为L1，但是由于受到安装条件的限制，这种超声流量计不能充分的利用管段17的长度来增加其测量的有效声程，因此限制了测量的精度。为了实现有效声程的最大化，现有技术采用图3中的管段17结构，使超声波换能器的发射方向与壳体16 的轴向垂直(L型)，这种L型超声流量计的有效声程L2大于L1，测量精度也得到提高。但是目前L型的超声波换能器通常采用分体式的结构，将普通的直式换能器18安装在L型外壳19中(图4和图5)，但是这种方式需要组装制造直式换能器18，然后将换能器安装到 L型外壳19中，制造和安装比较复杂，费时费力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超声波换能器，可有效解决L型超声波换能器制作和安装复杂的问题，本实用新型还提供了一种超声流量计，有效解决不能充分利用管段的长度增加有效声程的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供了一种超声波换能器，包括壳体、压电元件、正极通路和负极通路；所述压电元件的发射方向朝外；所述正极通路和所述负极通路分别与所述压电元件的内侧和外侧电连；其特征在于：所述壳体为具有空腔的管状结构，管状结构的一端设置有引出孔，所述壳体上还设置有开口方向与所述壳体的轴向相互垂直的开口Ⅱ；所述压电元件被固定于所述开口Ⅱ处，发射方向与所述壳体的轴向相互垂直；所述正极通路包括互连的弹簧Ⅰ和正极引线，所述弹簧I和所述压电元件的内侧相抵；还包括绝缘衬套，所述绝缘衬套将所述弹簧Ⅰ和所述压电元件的内侧与所述壳体隔离；还包括保护罩，所述保护罩从外侧罩在所述压电元件上，且与所述压电元件外侧之间导电，所述保护罩与所述壳体接触，所述壳体和所述保护罩均导电；所述负极通路包括互连的弹簧Ⅱ和负极引线，所述弹簧Ⅱ挤压在所述壳体内侧；所述正极引线和所述负极引线从所述引出孔引出。

在一优选实施例中，还包括固定环，所述固定环从外侧套在所述保护罩上，将所述保护罩和所述压电元件固定在所述壳体上；所述壳体和所述固定环上分别设置有相互匹配的环形凹槽和凸环，所述凸环伸入所述环形凹槽中，与所述环形凹槽固定连接；所述保护罩的边缘处设置有抵接环，所述抵接环抵接在所述环形凹槽的底部。

在上述实施例中，还包括垫圈，所述垫圈位于所述凸环和所述抵接环之间，所述垫圈将所述开口Ⅱ密封。

在一优选实施例中，所述绝缘衬套具有内腔和敞口，所述敞口方向朝外；所述弹簧Ⅰ位于所述内腔中，所述压电元件设置在所述敞口处；所述绝缘衬套上设置有用于引出正极引线的缺口。

在上述实施例中，所述敞口处设置有翻边，所述翻边部分包裹所述压电元件。

在一优选实施例中，所述壳体上设置有开口Ⅰ，所述开口Ⅰ处固定安装有固定块，所述固定块用于封堵所述开口Ⅰ，所述引出孔设置在所述固定块上。

在上述实施例中，还包括密封块，所述密封块位于所述固定块和所述弹簧Ⅱ之间，所述密封块上设置有与所述引出孔相对应的通孔。

在一优选实施例中，所述壳体具有向内侧延伸的支撑部，所述支撑部用于支撑所述弹簧Ⅱ。

在上述实施例中，所述支撑部为在所述壳体内部的一侧形成的台阶结构，所述弹簧Ⅱ支撑在所述台阶结构的台阶面上。

本实用新型还提供了一种超声流量计，包括至少两个发射方向相对设置的上述的超声波换能器；还包括管段，所述超声波换能器安装在所述管段上。

如上所述，本实用新型提供的一种超声波换能器，这种换能器的发射面与其轴向相互垂直，结构简单，加工难度低，还可以有效提高超声波换能器的可靠性、一致性和使用寿命；本实用新型还提供了一种安装有上述超声波换能器的超声流量计，最大限度地增加有效声程，提高了测量精度。

附图说明

图1为现有技术中公开的普通超声流量计的管段的结构示意图；

图2为现有技术中公开的普通超声波换能器的结构示意图；

图3为现有技术中公开的L型超声流量计的管段的结构示意图；

图4为现有技术中公开的L型超声波换能器的主视图；

图5为现有技术中公开的L型超声波换能器的侧视图；

图6为本实用新型实施例中的超声波换能器的剖面图；

图7为本实用新型实施例中的超声波换能器的右视图；

图8为本实用新型实施例中的换能器壳体的结构示意图；

图9为本实用新型实施例中的保护罩的结构示意图；

图10为本实用新型实施例中的绝缘衬套的结构示意图。

标号说明

1 绝缘衬套

1a 绝缘衬套顶部

1b 绝缘衬套底部

1c 翻边

1d 缺口

2 弹簧Ⅰ

3 垫圈

4 正极引线

5 密封槽

6 弹簧Ⅱ

7 密封块

8 固定块

9 引线套

10 限位销孔

11 固定环

12 保护罩

12a 抵接环

13 耦合层

14 压电元件

15 换能器壳体

15a 开口Ⅰ

15b 开口Ⅱ

16 壳体

17 管段

18 直式换能器

19 L型外壳

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实用新型的实施例公开了一种超声波换能器，包括压电元件、换能器壳体、正极通路和负极通路，换能器壳体包括筒状主体段及连接在该筒状主体段一端的压电元件安装段，筒状主体段及压电元件安装段具有相互连通的内部空腔，筒状主体段的一端开有用于引出正负极通路的开口Ⅰ，优选该开口Ⅰ为轴向开口。本实施例中筒状主体段大致为圆筒状，其他实施例中也可采用其他筒状的外形，术语“轴向”在本申请中均是指沿筒体延伸的方向。压电元件安装段上还设置有开口方向与筒状主体段的轴向相互垂直的开口Ⅱ，压电元件安装在开口Ⅱ处，发射方向与筒状主体段的轴向相互垂直，本实用新型提供的超声波换能器为L型超声波换能器。下文以图6所示的超声波换能器的摆放方位描述位置关系，筒状主体段的轴向为竖直方向，压电元件14的发射方向沿水平方向朝外为基准定义“竖直”、“水平”、“内外”等位置关系。

如图8所示，本实施例中的换能器壳体15顶部设置开口竖直向上的开口Ⅰ15a，下方设置有开口Ⅱ15b，开口Ⅰ15a和开口Ⅱ15b的开口朝向相互垂直。如图6所示，开口Ⅰ15a用于引出从换能器中引出的引线，压电元件14安装在开口Ⅱ15b外，发射面朝外。

压电元件14外侧设置有保护罩12，保护罩12从外侧罩在压电元件14上，并与换能器壳体15接触，压电元件14和保护罩12之间设置有耦合层13。为了将压电元件14固定在开口Ⅱ15b处，保护罩12的外侧设置有固定环11，固定环11与换能器壳体15相互固定。固定环11与保护罩12相互配合将压电元件14固定于换能器壳体15。

进一步地，本实施例中压电元件固定环11与换能器壳体15螺纹固定，具体地，换能器壳体15(本实施例中具体为压电元件安装段)上围绕开口Ⅱ15b设置有凹槽，保护罩12罩在压电元件14外并抵接在上述凹槽中，如图9所示，保护罩12上设置有沿竖直方向延伸的抵接环12a，抵接环12a抵接在凹槽的底部。固定环11内侧设置有与凹槽对应的凸环，凸环伸入凹槽中并与位于凹槽底部的抵接环12a外侧相抵接，凸环和凹槽设置有相匹配的螺纹。进一步地，为了提高固定环11和换能器壳体15之间的密闭性，在凹槽中设置有O型垫圈3，垫圈3位于凸环和抵接环12a之间，可选地，垫圈3为橡胶垫圈。更进一步地，固定环11与换能器壳体15的连接处再进行激光焊接，使固定更牢固。

正极通路与压电元件14内侧相连，将正极信号导出超声波换能器的封装结构，本实施例中的正极通路与换能器壳体15绝缘，包括绝缘衬套1、弹簧Ⅰ2以及正极引线4，绝缘衬套1 从开口Ⅱ15b处安装入换能器壳体15中。压电元件14固定在绝缘衬套1开口处，弹簧Ⅰ2位于绝缘衬套1中。

具体地，如图10所示，绝缘衬套1具有朝外的开口和内腔，开口方向与开口Ⅱ15b的开口方向一致，从开口处向外延伸有与开口方向相互垂直的绝缘衬套顶部1a，绝缘衬套顶部1a 的最大尺寸大于开口Ⅱ15b的尺寸。将绝缘衬套1安装入换能器壳体15中后，绝缘衬套顶部 1a抵接在开口Ⅱ15b附近的换能器壳体15上，优选地，绝缘衬套底部1b与换能器壳体15内壁同时也相互抵接。将压电元件14的内侧抵在绝缘衬套顶部1a上，进一步地，绝缘衬套顶部1a的最外侧形成有向外延伸的翻边1c，优选地，翻边1c的内径等于压电元件14的外径，并部分包裹压电元件14对其进行竖直方向上的限位，翻边1c的另一个作用是将压电元件14的内侧与换能器壳体15更好地隔离开来。弹簧Ⅰ2位于绝缘衬套1内腔中，一端抵接在绝缘衬套底部1b，另一端抵接在压电元件14的内侧，与压电元件14内侧形成通路，优选地，弹簧Ⅰ2的尺寸与绝缘衬套1内腔的尺寸相匹配。弹簧Ⅰ2将压电元件14向换能器壳体15外挤压，再与保护罩12相配合实现压电元件14在水平方向上的限位。可选地，绝缘衬套1的材料为塑料。

进一步地，为了使绝缘衬套1在换能器壳体15中的安装更稳定，换能器壳体15的内壁设置有凹槽，绝缘衬套底部1b伸入所述凹槽中。

如图6和10所示，绝缘衬套1的侧壁上还设置有用于引出正极引线4的缺口1d，正极引线4穿过缺口1d与弹簧Ⅰ2相连，本实施例中的正极引线4焊接在弹簧Ⅰ2与绝缘衬套底部1b抵接的一端，随后顺着换能器壳体15的内腔向上延伸，最后从开口Ⅰ15a处引出。压电元件14内侧的正极信号因此得以通过弹簧Ⅰ2和与弹簧Ⅰ2相连的正极引线4导出。优选地，为了防止正极引线4和换能器壳体15触碰，在正极引线4上套有绝缘套。整个正极通路以及压电元件14的内侧均与换能器壳体15绝缘，因此正极信号不会通过换能器壳体15传导。

本实施例中的负极通路包括弹簧Ⅱ6和负极引线(图中未示出)，将压电元件14外侧的负极信号导出。换能器壳体15具有向内侧延伸的支撑部，用于弹簧Ⅱ6的支撑。本实施例中具体采用如下形式：换能器壳体15的内壁形成有如图8所示的内部台阶结构(支撑部)，即在筒状主体段和压电元件安装段之间形成内外台阶结构。弹簧Ⅱ6下端抵接在台阶结构的水平台阶面上，优选地，弹簧Ⅱ6的尺寸与筒状主体段内腔的尺寸相匹配，防止因为弹簧Ⅱ6的大幅晃动导致负极通路接触不良。本实施例中的负极引线与弹簧Ⅱ6的上端相连。压电元件 14外侧与保护罩12接触，保护罩12与换能器壳体15接触，弹簧Ⅱ6又与换能器壳体15接触，因此负极信号能够通过压电保护罩12、换能器壳体15、弹簧Ⅱ6和负极引线导出。负极引线同样套有绝缘套。

为了将弹簧Ⅱ6固定在换能器壳体15中，弹簧Ⅱ6的上方分别设置有密封块7和固定块 8，优选地，密封块7与换能器壳体15相配合，将超声波换能器密封。可选地，密封块7的材料为硅胶。固定块8从开口Ⅰ15a处装入并与换能器壳体15相互固定，从而将密封块7和弹簧Ⅱ6固定在换能器壳体15内腔中，可选地，固定块8与换能器壳体15螺纹固定，固定块8上设置有外螺纹，相应地，开口Ⅰ15a附近的换能器壳体15内壁设置有与固定块8相配合的内螺纹。密封块7和固定块8上设置有相对应的引线孔，所述引线孔连通换能器壳体15 内部空腔和外部空间，正极引线4和负极引线均通过该引线孔引出，优选地，引线孔中设置有引线套9，引线套9将引线孔密封。

正极通路和负极通路中设置弹簧，并将正负极引线与弹簧相连接的目的是为了使得通路连接更加稳定，避免因为换能器震动造成通路断连。安装完成的超声波换能器中的两个弹簧均处于一定程度的压缩状态，使得换能器内部的部件位置均相对稳定。

综上所述，本实用新型提供了一种L型超声波换能器，包括压电元件、换能器壳体、正极通路和负极通路等，压电元件的发射方向与换能器壳体的轴向相互垂直，所述超声波换能器安装和制备方便，结构简单，加工难度低。

本实用新型还提供了安装有上述超声波换能器的的超声流量计，超声流量计包括至少一对发射面相对设置的本实用新型提供的超声波换能器，以及用于安装所述超声波换能器的管段。可选地，以如图3所示的管段17为例，管段17上设置有壳体16，将超声波换能器安装入壳体16中，超声波换能器的发射/接收方向与壳体16的轴向相互垂直，构成L型超声流量计。为了提高超声流量计的密闭性以及超声波换能器安装位置的准确性，换能器壳体15的外部设置有若干密封槽5，如图6所示，本实施例中的换能器壳体15的筒状主体段设置有两个密封槽5，密封槽5与环形垫圈配合使用，将换能器与壳体16内壁之间的缝隙进行密封，防止流体从管段17中通过缝隙漏出。换能器壳体15上还设置有限位销孔10，限位销孔10与壳体16上的限位孔相对应，配合使用限位销对换能器的安装进行准确定位。本实用新型提供的超声流量计能够充分利用管段自身的长度，增加测量的有效声程，提高测量精度。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超声波换能器，包括壳体、压电元件、正极通路和负极通路；所述压电元件的发射方向朝外；所述正极通路和所述负极通路分别与所述压电元件的内侧和外侧电连；其特征在于：

所述壳体为具有空腔的管状结构，管状结构的一端设置有引出孔，所述壳体上还设置有开口方向与所述壳体的轴向相互垂直的开口Ⅱ；

所述压电元件被固定于所述开口Ⅱ处，发射方向与所述壳体的轴向相互垂直；

所述正极通路包括互连的弹簧Ⅰ和正极引线，所述弹簧I和所述压电元件的内侧相抵；

还包括绝缘衬套，所述绝缘衬套将所述弹簧Ⅰ和所述压电元件的内侧与所述壳体隔离；

还包括保护罩，所述保护罩从外侧罩在所述压电元件上，且与所述压电元件外侧之间导电，所述保护罩与所述壳体接触，所述壳体和所述保护罩均导电；

所述负极通路包括互连的弹簧Ⅱ和负极引线，所述弹簧Ⅱ挤压在所述壳体内侧；

所述正极引线和所述负极引线从所述引出孔引出。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：

还包括固定环，所述固定环从外侧套在所述保护罩上，将所述保护罩和所述压电元件固定在所述壳体上；

所述壳体和所述固定环上分别设置有相互匹配的环形凹槽和凸环，所述凸环伸入所述环形凹槽中，与所述环形凹槽固定连接；

所述保护罩的边缘处设置有抵接环，所述抵接环抵接在所述环形凹槽的底部。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于：

还包括垫圈，所述垫圈位于所述凸环和所述抵接环之间，所述垫圈将所述开口Ⅱ密封。

4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：

所述绝缘衬套具有内腔和敞口，所述敞口方向朝外；

所述弹簧Ⅰ位于所述内腔中，所述压电元件设置在所述敞口处；

所述绝缘衬套上设置有用于引出正极引线的缺口。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于：

所述敞口处设置有翻边，所述翻边部分包裹所述压电元件。

6.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：

所述壳体上设置有开口Ⅰ，所述开口Ⅰ处固定安装有固定块，所述固定块用于封堵所述开口Ⅰ，所述引出孔设置在所述固定块上。

7.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于：

还包括密封块，所述密封块位于所述固定块和所述弹簧Ⅱ之间，所述密封块上设置有与所述引出孔相对应的通孔。

8.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：

所述壳体具有向内侧延伸的支撑部，所述支撑部用于支撑所述弹簧Ⅱ。

9.根据权利要求8所述的超声波换能器，其特征在于：

所述支撑部为在所述壳体内部的一侧形成的台阶结构，所述弹簧Ⅱ支撑在所述台阶结构的台阶面上。

10.一种超声流量计，其特征在于：

包括至少两个发射方向相对设置的权利要求1所述的超声波换能器；

还包括管段，所述超声波换能器安装在所述管段上。

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