CN217083834U

CN217083834U - 一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器

Info

Publication number: CN217083834U
Application number: CN202220582790.9U
Authority: CN
Inventors: 李岚硕
Original assignee: Guangzhou Hummingbird Sensor Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Hummingbird Sensor Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2032-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，属于涡街流量器技术领域，目的在于解决现有设备体积较大、一致性较差、成本较高、应用范围受限的问题。其包括管道，管道内设置有旋涡发生体，所述旋涡发生体安装于管道中间，所述管道内还安装有芯片化超声传感器，还包括主控MCU、AD采集模块、检波模块、滤波模块、放大模块、切换开关，所述切换开关和放大模块分别与芯片化超声传感器电连接，所述放大模块电连接有滤波模块，所述滤波模块电连接有检波模块，所述检波模块电连接有AD采集模块，所述切换开关和AD采集模块分别与主控MCU电连接。本实用新型适用于基于芯片化超声传感器的涡街流量器。

Description

一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器

技术领域

本实用新型属于涡街流量器技术领域，具体涉及一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器。

背景技术

涡街流量计也称之为旋涡流量计或卡门涡街流量计，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。

涡街流量计是应用卡门涡街原理和现代电子技术设计而制造的一种流量计，旋涡的发生频率与流体的速度成正比，在一定条件下，符合下式

f＝St*v/d

其中，f为旋涡发生频，v为管道内的流速，d为旋涡发声体的宽度，St为斯特罗哈尔系数。在一定条件下St为一个定数，因此，通过检测涡街发生的频率就可以获得管道的流量。

传统检测涡街发生的频率主要有两个方法，一种是主动探测式，一种是被动探测式。其中前者主要采用通过发射超声波并接收回波信号来检测漩涡发生的流速变化，从而获得涡街发生的频率，后者采用的检测原件有压电原件，振片磁敏式，膜片+压电元件，膜片+电容，膜片+电感等，通过测量涡街发生时压力的变化来获得涡街发生的频率。

采用主动超声波流量检测的办法现有的基于压电陶瓷块制备的超声探头体积较大，一致性也较差，同时还需要高压驱动，因此造成涡街流量计安装困难且对管道的直径有较大的限制，并且成本昂贵。

采用被动式探测同样面临着尺寸大、一致性差且传感器本身装配复杂的问题，同时，现有的压力传感器如电容式或者电感式，其动态灵敏度较差，响应很慢，且容易收到外界的电磁环境干扰。因此，同样带来成本高，且在小管道下无法应用的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述技术问题，提供一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，其基于芯片化超声传感器设计了一款涡街流量器，由于芯片化超声传感器本身尺寸小、动态灵敏度高、一致性好且同时可兼容主动探测以及被动传感的方式，因此可以提升涡街流量计的精度以及稳定性，同时还可以降低成本并在小管道中也可应用。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，包括管道，管道内设置有旋涡发生体，所述旋涡发生体安装于管道中间，所述管道内还安装有芯片化超声传感器，还包括主控MCU、AD采集模块、检波模块、滤波模块、放大模块、切换开关，所述切换开关和放大模块分别与芯片化超声传感器电连接，所述放大模块电连接有滤波模块，所述滤波模块电连接有检波模块，所述检波模块电连接有AD采集模块，所述切换开关和AD采集模块分别与主控MCU电连接。

进一步地，所述芯片化超声传感器安装于管道中间。

进一步地，所述芯片化超声传感器安装于管道侧壁。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型中，采用了芯片化超声传感器作为内置的涡街探测，其相对于现有技术方案，具有尺寸更小、动态灵敏度更高、一致性更好的优势，因此作为涡街流量计成本更低、安装简单，且可以兼容更小的管道尺寸。

2、本实用新型中，由于芯片化超声传感器同时兼容发射和接收的功能，因此基于设计了一种双模式的涡街流量计，可以根据流体的速度、材质灵活选择合适的工作模式从而获得更大的探测范围以及更高的精度，也减小外界的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图，其中：

图1为本实用新型超声传感器安装在管道中央的被动探测式的工作示意图；

图2为本实用新型超声传感器安装在管道侧壁的主动探测式的工作示意图；

图3为本实用新型芯片化超声传感器的模型参考图；

图4为本实用新型的后端处理硬件连接框图；

图5为本实用新型主动探测模式下输入主控MCU的信号图；

图6为本实用新型被动探测模式下输入主控MCU的信号图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

进一步地，所述芯片化超声传感器安装于管道中间。

进一步地，所述芯片化超声传感器安装于管道侧壁。

本实用新型在实施过程中，如图1和图2所示，其为本实用新型不同安装方式下两种不同工作模式的工作示意图；整体包括了管道、旋涡发生体以及内嵌的芯片化超声传感器。其包括了两种安装方式，其中旋涡发生体安装在管道的中间，从而流体通过时产生旋涡，芯片化超声传感器既可以安装在管道的中间也可以安装到管道的侧壁。

其中，两种安装方式均可采用两种工作模式，第一种工作模式为主动探测式，由于芯片化超声传感器同时具备发射超声波以及接收超声波的能力，因此可以进行主动探测，通过发射超声波并通过检验反射回来的超声波的信号强度以及相位来获得旋涡发生的频率从而获得管道的流速。

第二种工作模式为被动探测式，当旋涡交替发生时，就会形成一系列交替变化的流体升力，该升力作用在芯片化超声传感器上，就会产生一系列交变电荷信号，对信号进行处理就可以获得旋涡发生的频率从而获得管道的流速。

图3为芯片化超声传感器的结构参考图，其尺寸一般小于4*4*2mm³，最小可做到1*1*1mm³。

如图4所示，为本实用新型的后端处理硬件连接框图。其兼容了两种探测模式，分别包括了主控MCU、切换开关、放大模块、滤波模块、检波模块、AD采集模块。

在主动探测模式下，主控MCU首先控制切换开关打开，并且发送一个5V的方波到芯片化超声传感器，方波的脉冲数一般在1～32个脉冲，在发射完方波后，主控MCU控制切换开关关断。芯片化超声传感器在接受到脉冲信号后，会发射超声波，发射的超声波通过流体以及对测的管壁后会反射回超声传感器。反射回来的超声信号被超声传感器转换为电信号后，依次通放大模块、滤波模块以及AD采集模块，从而转换为数字信号到主控MCU。具体采集到的信号如图5所示，信号的强度以及相位会随着涡街交替产生而发生周期性的变化，通过提取该周期性变化的频率就获得了涡街的频率，再经过标定就可以获得具体的流速以及流量。

在被动探测模式下，主控MCU控制切换开关持续关断，当旋涡交替发生时，就会形成一系列交替变化的流体升力，该升力作用在芯片化超声传感器上，就会产生一系列交变电荷信号，信号依次通过放大模块、滤波模块以及AD采集模块，从而转换为数字信号到主控MCU，具体采集到的信号如图6所示。该周期性变化的频率就是涡街的频率，再经过标定就可以获得具体的流速以及流量。

本发明在实际使用中，可以根据流体的速度、材质灵活选择合适的工作模式从而获得更大的探测范围以及更高的精度，也减小外界的干扰。

实施例1

实施例2

在实施例1的基础上，所述芯片化超声传感器安装于管道中间。

实施例3

在上述实施例的基础上，所述芯片化超声传感器安装于管道侧壁。

如上所述即为本实用新型的实施例。前文所述为本实用新型的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述实用新型的验证过程，并非用以限制本实用新型的专利保护范围，本实用新型的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，其特征在于，包括管道，管道内设置有旋涡发生体，所述旋涡发生体安装于管道中间，所述管道内还安装有芯片化超声传感器，还包括主控MCU、AD采集模块、检波模块、滤波模块、放大模块、切换开关，所述切换开关和放大模块分别与芯片化超声传感器电连接，所述放大模块电连接有滤波模块，所述滤波模块电连接有检波模块，所述检波模块电连接有AD采集模块，所述切换开关和AD采集模块分别与主控MCU电连接。

2.按照权利要求1所述的一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，其特征在于，所述芯片化超声传感器安装于管道中间。

3.按照权利要求1所述的一种基于芯片化超声传感器的涡街流量器，其特征在于，所述芯片化超声传感器安装于管道侧壁。