CN219935021U - 一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，包括壳体以及与壳体连接的底板，壳体呈长条形结构，壳体的首端端面上设置有超声换能器，超声换能器设置为与底板底面呈固定夹角，壳体的尾端设置有电缆防水密封结构件，壳体上部设有姿态测量传感器，姿态测量传感器设置为与底板底面平行，壳体内设置有电路板，超声换能器和姿态测量传感器分别连接电路板，电路板通过线缆与外界交互，线缆穿过电缆防水密封结构件与电路板连接。本发明仅使用了一个超声换能器，减少了生产调试难度，降低了仪器成本。安装时无需要求仪器底面必须和水流方向平行，降低了对仪器的安装使用要求，安装简单，方便实用。

Description

一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计

技术领域

本实用新型属于水文监测技术领域，具体是一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，适用于水体流量测量。

背景技术

多普勒超声流量计是利用超声多普勒效应进行流量测量的一种仪器。其超声换能器发射出一定频率的超声脉冲，该超声脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射信号。由于水中悬浮物质随水流漂移,使该散射信号频率与发射信号频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和符号(正负)，即能计算出水中悬浮物的流速和流向，此流速流向和水流流速流向一致。同时仪器具有水位测量功能，配合水位以及断面面积可得流量。仪器具有不破坏流场，测量精度高；量程宽，可测弱流也可测强流；分辨率高，响应速度快等优点。

专利号为201921446330.8的中国专利公开了一种多普勒超声波流量计，图1为其结构示意图。在图1所示的实施例中，提供了一种多普勒超声波流量计，包括流量计壳体1’、设置在壳体1’内的超声波发射模组3’、超声波接收模组4’和控制单元，壳体1’上还设有水位采集传感器2’，用于检测河道上的水位，水位采集传感器可以通过采集河道上水压的变化检测河道上的水位。

由测量原理可知，多普勒超声流量计流速测量超声换能器发射的超声信号经水体悬浮物质产生的后向散射信号由超声接收换能器接收，故超声接收换能器和超声发射换能器不能平行安装，需要有一定的夹角，否则后向散射信号无法被接收。同时此夹角的角度要固定，计算水体流速时会用到此夹角数据。超声发射换能器和超声接收换能器的分置增加了设备生产、调试的难度。同时由于使用双超声换能器，增加了仪器成本以及体积，仪器体积太大会造成浅水时不能使用，因为使用时要求仪器浸没在水中一定深度。

由超声多普勒效应可知，仪器所测得的多普勒频移为流体流速在超声传播方向上的流速分量，大部分超声多普勒流量计超声换能器和仪器底面成固定已知角度，因此安装时要求仪器底面必须和水流方向平行，否则会造成测量误差，从而导致仪器安装不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，以解决现有超声波流量计由于配备有一组超声波换能器导致生产调试成本高、适用性受到限制，以及现有超声波流量计安装不方便等问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，包括壳体以及与所述壳体连接的底板，所述壳体呈长条形结构，所述壳体的首端端面上设置有超声换能器，所述超声换能器设置为与所述底板底面呈固定夹角，所述壳体的尾端设置有电缆防水密封结构件，所述壳体上部设有姿态测量传感器，所述姿态测量传感器设置为与所述底板底面平行，所述壳体内设置有电路板，所述超声换能器和姿态测量传感器分别连接电路板，所述电路板通过线缆与外界交互，所述线缆穿过所述电缆防水密封结构件与所述电路板连接。

进一步地，所述电路板包括电源模块、微处理器、激振模块、微弱信号处理系统和通讯模块，所述线缆与所述电源模块的输入端电性连接，所述电源模块的输出端与所述微处理器的输入端电性连接，所述微处理器与所述激振模块的输入端电性连接，所述激振模块的输出端与所述超声换能器的输入端电性连接，所述超声换能器的输出端与所述微弱信号处理系统的输入端电性连接，所述通讯模块与所述微处理器电性连接，所述通讯模块与所述线缆电性连接，所述线缆与上位机或数据采集终端通讯连接。

进一步地，所述壳体的尾端设有安装孔，所述电缆防水密封结构件与所述安装孔螺纹连接。

进一步地，所述电缆防水密封结构件上与所述壳体末端接触的位置还设有O型圈安装槽，所述O型圈安装槽内安装有O型圈。

进一步地，所述壳体与所述底板通过螺栓连接。

进一步地，所述底板上还设置有橡胶垫安装槽，所述橡胶垫安装槽内安装有橡胶垫。

进一步地，所述电路板上设置有固定孔，所述电路板通过螺栓固定在所述底板上。

相比于现有技术，本实用新型达到的有益技术效果为：

本实用新型的一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，进一步简化了多普勒超声流量计的测量方式，流速测量只需要一个超声换能器，降低了生产调试成本，减小了仪器体积，使其在浅水时也能使用；同时具有安装角度自校正功能，仪器安装在水体中后，姿态测量传感器自动测量仪器姿态的变化，矫正仪器底面和水流方向的角度，安装简单，方便实用，抗干扰能力强。

附图说明

图1为现有技术的多普勒超声波流量计结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的电连接框图；

图4为本实用新型的安装示意图。

其中：1’-流量计壳体、2’-水位采集传感器、3’-超声波发射模组、4’-超声波接收模组、1-壳体、2-超声换能器、3-电路板、4-姿态测量传感器、5-线缆、6-底板、7-电缆防水结构件，8-O型圈安装槽、9橡胶垫安装槽、10安装孔、31-电源模块、32-微处理器、33-激振模块、34-微弱信号处理系统、35通讯模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如前所述，传统的超声波流量计由于配备有一组超声波换能器，加大了生产调试成本，增大了仪器体积，由于使用时仪器要淹没在水下一定深度，体积的增大会造成仪器的适用性限制。此外，大部分的超声多普勒流量计结构简单，要求安装时底面和水流方向平行，安装不方便。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，如图2所示，包括壳体1以及与壳体1连接的底板6。

其中，壳体1与底板6通过螺栓连接，壳体1与底板6形成密封结构。

壳体1呈长条形结构，壳体1的首端端面设置有且仅有一个超声换能器2，超声换能器用于自发自收超声波信号。超声换能器2设置为与底板6底面呈固定夹角。

壳体1的尾端设置有电缆防水密封结构件7，线缆5穿过电缆防水密封结构件7进入壳体1内部与电路板3连接。

电缆防水密封结构件7用于保证其和线缆5之间的密封性，使得仪器可长期在水下使用。

如图2所示，壳体1的尾端设有安装孔10，电缆防水密封结构件7与安装孔10通过螺纹连接固定。

电缆防水密封结构件7上与壳体1末端接触的位置还设有O型圈安装槽8，O型圈安装槽8内安装有O型圈。

通过设置O型圈，可以进一步保证电缆防水密封结构件7和壳体1之间的密封性，保证仪器可长期水下使用。

壳体1的上部设置有姿态测量传感器4，姿态测量传感器4设置为与底板6底面平行。姿态测量传感器4用于测量仪器姿态的变化，即仪器底面和水流方向平行度的差异。

壳体1的内部设置有电路板3。在一种实施方式中，电路板3上设置有固定孔，电路板3通过螺栓固定在底板6上。

超声换能器2和姿态测量传感器4分别连接至电路板3。电路板3可以控制超声换能器2发射一定频率的超声波信号，该超声波在水中传播，经水中颗粒物的反射信号再由该超声换能器2接收，并发送至电路板3。姿态测量传感器4可以将测量到的仪器姿态发送至电路板3。

电路板3通过线缆5与外界交互。

如图2所示，底板6上还设置有橡胶垫安装槽9，橡胶垫安装槽9内安装有橡胶垫9。通过设置橡胶垫9，可以保证底板和壳体的密封性，进一步确保仪器可长期水下使用。

如图3所示，电路板3包括电源模块31、微处理器32、激振模块33、微弱信号处理系统34和通讯模块35。

线缆5与电源模块31的输入端电性连接，电源模块31的输出端与微处理器32的输入端电性连接；

微处理器32与激振模块33的输入端电性连接，激振模块33的输出端与超声换能器2的输入端电性连接；

超声换能器2的输出端与微弱信号处理系统34的输入端电性连接；

通讯模块35与微处理器32电性连接；

通讯模块35与线缆5电性连接，线缆5与上位机或数据采集终端通讯连接。

微处理器32通过控制激振模块33使超声换能器2发射一定频率的超声波，该超声波在水中传播，经水中颗粒物的反射信号被该超声换能器2接收，并发送至微弱信号处理系统34，经由微弱信号处理系统34对该反射信号进行处理放大后发送至微处理器32，微处理器32计算得到发射超声信号与反射回超声信号之间的频率差，根据此频率差可得到水体流速在超声波传播方向的流速分量；

姿态测量传感器4测量仪器现在姿态，并将测量到的仪器姿态发送至微处理器32，微处理器32根据仪器的姿态、超声换能器和流量计的固定角度计算水体流速方向和超声传播方向的夹角；

微处理器32根据水体流速在超声波传播方向的流速分量、水体流速方向和超声传播方向的夹角、发射超声信号与反射回超声信号之间的频率差，计算流体流速；

微处理器32通过通讯模块35和线缆5接收水体断面面积和水位，并根据水体断面面积数据、水位、流速计算水体流量；

微处理器32将测得的流速、流量、水位数据通过通讯模块35和线缆5发送至上位机或数据采集终端。

其中，由超声多普勒测量原理可知水流流速的现有计算公式为：

其中，v是水流流速，f_d＝f_r-f_t为多普勒频移，f_t为超声换能器发射的超声信号的频率，f_r为超声换能器接收的反射回的超声信号额频率，c是水中声速，α为水流方向与超声波传输方向的夹角。由图2可知，超声换能器和仪器底面的夹角是固定已知的，如果安装时不能保证仪器底面和水流方向平行，α使用仪器固定值会造成误差。

本实用新型安装后会自动测量仪器底面和水流方向平行度的差异β，因此，上述流速计算公式变为：

这样，安装仪器时无需要求仪器底面必须和水流方向平行，从而减少了对仪器的安装使用要求，安装简单，方便实用。

本实用新型的使用方法如下：

(1)将流量计通过支架水平安装到水体中，如图4所示；

(2)电路板3通过控制超声换能器2发射一定频率的超声波，该超声波在水中传播，经水中颗粒物的反射信号被该超声换能器2接收，信号经电路板3处理后可得到发射超声信号与反射回超声信号之间的频率差，根据此频率差可得到水体流速在超声波传播方向的流速分量；

(3)电路板3配合姿态测量传感器4测量仪器现在的姿态，根据仪器的姿态、超声换能器和流量计的固定角度计算水体流速方向和超声传播方向的夹角；

(1)综合(2)、(3)，可得流体流速；

(5)将水体断面面积、水位数据通过线缆5按照标准格式传输到电路板3；

(6)电路板3根据水体断面面积数据、水位、流速计算水体流量；

(7)电路板3将测得的流速、流量、水位数据通过线缆5对外发送。

本实用新型具备流速、流量、水位测量功能。仪器具有不破坏流场，测量精度高；量程宽，可测弱流也可测强流；分辨率高，响应速度快等优点。对比现有多普勒超声波流量计，其超声发射换能器和超声接收换能器二合一，减少了生产调试难度，降低了仪器成本。安装仪器时无需要求仪器底面必须和水流方向平行，降低了对仪器的安装使用要求，安装简单，方便实用。

以上已以较佳实施例公布了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，包括壳体(1)以及与所述壳体(1)连接的底板(6)，所述壳体(1)呈长条形结构，所述壳体(1)的首端端面上设置有超声换能器(2)，所述超声换能器(2)设置为与所述底板(6)底面呈固定夹角，所述壳体(1)的尾端设置有电缆防水密封结构件(7)，所述壳体(1)上部设有姿态测量传感器(4)，所述姿态测量传感器(4)设置为与所述底板(6)底面平行，所述壳体(1)内设置有电路板(3)，所述超声换能器(2)和姿态测量传感器(4)分别连接电路板(3)，所述电路板(3)通过线缆(5)与外界交互，所述线缆(5)穿过所述电缆防水密封结构件(7)与所述电路板(3)连接。

2.根据权利要求1所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述电路板(3)包括电源模块(31)、微处理器(32)、激振模块(33)、微弱信号处理系统(34)和通讯模块(35)，所述线缆(5)与所述电源模块(31)的输入端电性连接，所述电源模块(31)的输出端与所述微处理器(32)的输入端电性连接，所述微处理器(32)与所述激振模块(33)的输入端电性连接，所述激振模块(33)的输出端与所述超声换能器(2)的输入端电性连接，所述超声换能器(2)的输出端与所述微弱信号处理系统(34)的输入端电性连接，所述通讯模块(35)与所述微处理器(32)电性连接，所述通讯模块(35)与所述线缆(5)电性连接，所述线缆(5)与上位机或数据采集终端通讯连接。

3.根据权利要求1所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述壳体(1)的尾端设有安装孔(10)，所述电缆防水密封结构件(7)与所述安装孔(10)螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述电缆防水密封结构件(7)上与所述壳体(1)末端接触的位置还设有O型圈安装槽(8)，所述O型圈安装槽(8)内安装有O型圈。

5.根据权利要求1所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述壳体(1)与所述底板(6)通过螺栓连接。

6.根据权利要求5所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述底板(6)上还设置有橡胶垫安装槽(9)，所述橡胶垫安装槽(9)内安装有橡胶垫。

7.根据权利要求1所述的单超声换能器带安装自校正的超声多普勒流量计，其特征在于，所述电路板(3)上设置有固定孔，所述电路板(3)通过螺栓固定在所述底板(6)上。