一種雙聲程換能器超聲波燃氣表的製作方法

2023-06-01 17:15:26 2

一種雙聲程換能器超聲波燃氣表的製作方法
【專利摘要】一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，包括殼體，殼體上開設第一透槽和第二透槽，殼體內安裝第一管道和第二管道，殼體上安裝顯示屏，第一管道和第二管道一端分別穿過第一透槽和第二透槽位於殼體外側，第一管道和第二管道另一端分別與流體屏蔽管連通，流體屏蔽管的一端安裝第一換能器，另一端安裝第二換能器，第一換能器或第二換能器有一個外殼，外殼上設置環形凸臺，環形凸臺上開設圓形槽，環形凸臺外壁處開設環形安裝槽，環形安裝槽內安裝環形輔壓電片，環形輔壓電片的上表面設置輔壓電密封聲阻抗匹配層。它能夠利用主、輔壓電片的聲程差準確測量得到介質靜止聲速，因此能夠準確測量得到介質的流速，從而提高了超聲波燃氣表的測量準確度。
【專利說明】
一種雙聲程換能器超聲波燃氣表
技術領域
[0001]本實用新型涉及燃氣表，是一種雙聲程換能器超聲波燃氣表。
【背景技術】
[0002]目前燃氣表在城市及工業生產中應用極為廣泛，所有燃氣表均採用單晶片或單壓電片的換能器測量氣體流量。由於燃氣組份、壓力、溫度隨時發生變化，因此，介質的靜止聲速極難獲得，而準確獲得介質的靜止聲速是準確測量氣體流量的必備條件。市場上普遍使用的單晶片超聲燃氣表獲得介質聲速的方法是通過提高超聲波的發射功率以提高接收首波的幅度，對接收信號採用高速ADC採樣，然後從接收的波形中估算出聲超波的傳播時間，然後再進一步計算出聲速。這種燃氣表結構的不足是，發射電壓高，功耗較大，安全性較低，高速ADC的價格昂貴，另外，CPU處理時必須要求在短時間內完成，對CPU的性能要求較高，小流量測量誤差較大，Qmin誤差一般在3%-5%左右。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的是提供一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，它在流速屏蔽管內採用雙壓電片，在介質中產生雙聲程，主、輔壓電片之間存在固定的聲程差，用聲程差進行聲速測量，從而達到精確測量介質靜止聲速的目的，以解決現有技術的不足。
[0004]本實用新型為實現上述目的，通過以下技術方案:一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，包括殼體，殼體上開設第一透槽和第二透槽，殼體內安裝第一管道和第二管道，殼體上安裝顯示屏，第一管道和第二管道一端分別穿過第一透槽和第二透槽位於殼體外側，第一管道和第二管道另一端分別與流體屏蔽管連通，流體屏蔽管的一端安裝第一換能器，另一端安裝第二換能器，第一換能器或第二換能器有一個外殼，外殼上設置環形凸臺，環形凸臺上開設圓形槽，環形凸臺外壁處開設環形安裝槽，環形安裝槽內安裝環形輔壓電片，環形輔壓電片的上表面設置輔壓電密封聲阻抗匹配層，圓形槽內安裝圓形主壓電片，圓形主壓電片的上表面設置主壓電密封聲阻抗匹配層，環形輔壓電片的內徑大於圓形主壓電片的直徑，圓形主壓電片與環形輔壓電片在垂直方向設置固定距離，環形凸臺中部開設第一引線孔，第一引線孔內設置第一導線，第一導線穿過外殼位於外殼外部，外殼下部填充封膠層。第一管道或第二管道上安裝深度測量儀和壓力測量儀。殼體由前殼體和後殼體組成，前殼體和後殼體以殼體長度方向中部分界。環形凸臺的上邊沿高於外殼的上邊沿，環形凸臺上部外表面為圓錐面。所述圓錐面的底端與外殼的上邊沿位於同一平面內。環形安裝槽內開設第二引線孔，第二引線孔內設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層位於外殼外部。所述圓形主壓電片和環形輔壓電片均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料製成。圓形主壓電片的中心線與環形輔壓電片的中心線為同一中心線。主壓電密封聲阻抗匹配層的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層間設置固定距離。圓形主壓電片是圓餅形，環形輔壓電片是環餅形，圓形主壓電片和環形輔壓電片平行同軸安裝。
[0005]本實用新型的優點在於:在流速屏蔽管內安裝圓形主壓電片、環形輔壓電片兩個壓電片，在使用時使被測介質內產生兩個聲程，用兩個聲程間的聲程差測量介質靜止聲速，從而測量氣體流量。本實用新型所述的帶有圓形主壓電片和環形輔壓電片兩個壓電片的換能器結構，能在聲的傳播方向上相差一個固定距離，這個距離在介質最短聲波波長的(N+x)倍，最佳設計是N=O，X=0.6至0.8之間，也就是在一個波長內，流速屏蔽管O的區域，兩個換能器之間由於主、輔壓電片的存在，會形成兩個聲程，主聲程的長度小於輔聲程的長度，在同一個換能器上的主、輔壓電片之間的聲波差程中，由於流速屏蔽管的作用，在聲波差程中介質流速為0，通過測量主、輔壓電片接收到的信號相位時間差，就可以根據主、輔聲程差計算出準確的聲速，由於在這段差程中介質流速為0，因此測量得到的聲速就是介質靜止聲速。由於本實用新型能夠利用主、輔壓電片的聲程差準確測量得到介質靜止聲速，因此能夠準確測量得到介質的流速，從而提高了超聲波燃氣表的測量準確度。
[0006]本實用新型的燃氣表在流體屏蔽管道內安裝兩個換能器，當其中一個換能器的圓形主壓電片發射超聲波時，另一個換能器的圓形主壓電片先接收到超聲波信號，然後環形輔壓電片再接收到信號，這樣，另一個換能器的圓形主壓電片和環形輔壓電片之間產生一個聲程差，接收到的信號之間有一個時間差。圓形主壓電片、環形輔壓電片的信號通過「過零」整形後，用鑑相器可以精確測量到該時間差，然後再根據圓形主壓電片、環形輔壓電片的聲程差算出介質的聲速，由於換能器的圓形主壓電片和環形輔壓電片間的介質流速為零，測量到的聲速就是介質靜止時的聲速。目前的脈衝擴展的數字鑑相器的精度可以做到
0.lns-0.3ns，當圓形主壓電片、環形輔壓電片的聲程差為2mm時，聲速的測量精度可達到
0.01-0.05111/8。經檢測，本實用新型的超聲波燃氣表的流量測量誤差為0.1%-0.4%。本實用新型所述的燃氣表內僅需24V以內的發射電壓，使用安全性高，功耗低，涉及的電路工作電壓範圍在高壓CMOS範圍內，易於實現超聲波燃氣表專用處理電路的集成化，對CPU要求低，能夠對接收信號全部採用「過零」比較，然後進行脈衝擴展鑑相實現時間差的測量，電路處理簡單，製造成本低等。
【附圖說明】

[0007]附圖1是本實用新型所述燃氣表的結構示意圖；附圖2是圖1中A-A剖視結構示意圖；附圖3是圖1的俯視結構示意圖；附圖4是圖3中B-B剖視結構示意圖；附圖5是本實用新型實施例之二結構示意圖，主要示意流速屏蔽管的位置及換能器的位置，圖中31是連接管;附圖6是換能器的結構示意圖；附圖7是圖6的俯視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]對照附圖對本實用新型做進一步說明。
[0009]本實用新型所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，包括殼體I，其特徵在於:殼體I上開設第一透槽5和第二透槽6，殼體I內安裝第一管道7和第二管道8，殼體I上安裝顯示屏9，第一管道7和第二管道8—端分別穿過第一透槽5和第二透槽6位於殼體I外側，第一管道7和第二管道8另一端分別與流體屏蔽管11連通，流體屏蔽管11的一端安裝第一換能器12，另一端安裝第二換能器13，第一換能器12或第二換能器13有一個外殼19，外殼19上設置環形凸臺2，環形凸臺2上開設圓形槽22，環形凸臺2外壁處開設環形安裝槽21，環形安裝槽21內安裝環形輔壓電片23，環形輔壓電片23的上表面設置輔壓電密封聲阻抗匹配層24，圓形槽22內安裝圓形主壓電片25，圓形主壓電片25的上表面設置主壓電密封聲阻抗匹配層26，環形輔壓電片23的內徑大於圓形主壓電片25的直徑，圓形主壓電片25與環形輔壓電片23在垂直方向設置固定距離，環形凸臺2中部開設第一引線孔28，第一引線孔28內設置第一導線3，第一導線3穿過外殼19位於外殼19外部，外殼19下部填充封膠層27。
[0010]本實用新型所述燃氣表流速屏蔽管兩端安裝換能器，兩個圓形主壓電片間產生主聲程，一個圓形主壓電片和另一個環形輔壓電片間產生輔聲程，兩個聲程有一個聲程差，聲程差選擇為介質最小聲波波長的(N+x)倍，N取整數，X為0-1之間的小數，最佳選擇N=O，X=
0.6—0.8，通過電路板中鑑相器可以測出主輔壓電片接收到信號的時間差t，然後用公式C=L/t就可以計算出介質的聲速(t為主輔信號時間差，L為主輔壓電片的聲程差，c為聲波速度)，再通過CPU運算後從而檢測出氣體流量。本實用新型所述燃氣表內安裝的本實用新型的換能器置入流速屏蔽管內一端或兩端，流速屏蔽管[A2]本實用新型所述換能器的圓形主壓電片信號可以採用「過零」整形，在[A3]。由於本實用新型所述換能器可以對接收信號全部採用過零比較，然後再進行脈衝擴展鑑相實現時間差的測量，因此，可使電路設計簡單化，並能達到精度高的要求。
[0011]本實用新型所述的第一管道7或第二管道8上安裝溫度測量儀16和壓力測量儀17。
[0012]本實用新型所述的殼體I由前殼體和後殼體組成，前殼體和後殼體以殼體I長度方向中部分界。便於安裝殼體內的各種部件。
[0013]本實用新型所述環形凸臺2的上邊沿高於外殼19的上邊沿，環形凸臺2上部外表面為圓錐面30，所述圓錐面30的底端與外殼19的上邊沿位於同一平面內。本實用新型採用圓錐面30，用於減小對超聲波的遮擋，提高環形輔助壓電片接收信號的強度。
[0014]本實用新型進一步的方案是:環形安裝槽21內開設第二引線孔29，第二引線孔29內設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層27位於外殼19外部。
[0015]本實用新型優選的方案是:所述圓形主壓電片25和環形輔壓電片23均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料製成。
[0016]本實用新型進一步的優選方案是:圓形主壓電片25是圓餅形，環形輔壓電片23是環餅形，圓形主壓電片25和環形輔壓電片23平行同軸安裝，相互之間距離(N+x)倍介質最小聲波波長，這種形狀和安裝方式使邊角效應減至最小，使聲波發射與接收對稱均勻，進一步保證測量精度。
[0017]本實用新型所述圓形主壓電片25的中心線與環形輔壓電片23的中心線為同一中心線。它能進一步保證圓形主壓電片25、環形輔壓電片23兩個壓電片在空間上呈相互平行狀態，產生的聲程準確，並在聲波傳播方向上相差一個固定距離，進一步提高測量準確性。
[0018]本實用新型所述主壓電密封聲阻抗匹配層26的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層24間設置固定距離。這個距離是圓形主壓電片和環形輔壓電片之間的聲程差，取波長的(N+x)倍，其中N取整數，X為0-1之間的小數，最佳方案是N=O，X取0.6-0.8。例如:假設超聲波頻率選擇150KHZ，如果被測介質的最小波長為2.5mm，那麼主輔聲程差可以選擇為:1.5 -2mm ο
[0019]本實用新型所述燃氣表將兩個本實用新型所述換能器分別安裝在流速屏蔽管的兩端，或者一端採用現有技術中的換能器，使換能器上的兩圓形主壓電片面向管道內側，其中一側換能器的圓形主壓電片與對側換能器的圓形主電片之間產生主聲程，與環形輔壓電片之間形成輔聲程，主聲程和輔聲程之間存在聲程差，也就是換能器上圓形主壓片和環形輔壓電片之間的距離差，採用測量圓形主壓電片和環形輔壓電片之間的信號時間差，然後再根據主、輔壓電片之間的聲程差計算出被測介質的靜止聲速，然後再根據兩個換能器之間圓形主壓電片之間測量得到沿介質流動方向正反傳播的超聲波時間差，再根據介質的靜止聲速算出介質流動速度，從而完成氣體流量的測量。
[OO2O]附圖中10為印製電路板、18為固定板、20為凹槽。
【主權項】
1.一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，包括殼體(I)，其特徵在於:殼體(I)上開設第一透槽(5)和第二透槽(6)，殼體(I)內安裝第一管道(7)和第二管道(8)，殼體(I)上安裝顯示屏(9)，第一管道(7)和第二管道(8)—端分別穿過第一透槽(5)和第二透槽(6)位於殼體(I)夕卜偵U，第一管道(7)和第二管道(8)另一端分別與流速屏蔽管(11)連通，流速屏蔽管(11)的一端安裝第一換能器(12)，另一端安裝第二換能器(13)，第一換能器(12)或第二換能器(13)有一個外殼(19)，外殼(19)上設置環形凸臺(2)，環形凸臺(2)上開設圓形槽(22)，環形凸臺(2)外壁處開設環形安裝槽(21)，環形安裝槽(21)內安裝環形輔壓電片(23)，環形輔壓電片(23)的上表面設置輔壓電密封聲阻抗匹配層(24)，圓形槽(22)內安裝圓形主壓電片(25)，圓形主壓電片(25)的上表面設置主壓電密封聲阻抗匹配層(26)，環形輔壓電片(23)的內徑大於圓形主壓電片(25)的直徑，圓形主壓電片(25)與環形輔壓電片(23)在垂直方向設置固定距離，環形凸臺(2)中部開設第一引線孔(28)，第一引線孔(28)內設置第一導線(3)，第一導線(3)穿過外殼(19)位於外殼(19)外部，外殼(19)下部填充封膠層(27)。2.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:第一管道(7)或第二管道(8)上安裝溫度測量儀(16)和壓力測量儀(17)。3.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:殼體(I)由前殼體和後殼體組成，前殼體和後殼體以殼體(I)長度方向中部分界。4.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:環形凸臺(2)的上邊沿高於外殼(19)的上邊沿，環形凸臺(2)上部外表面為圓錐面(30)。5.根據權利要求4所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:所述圓錐面(30)的底端與外殼(19)的上邊沿位於同一平面內。6.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:環形安裝槽(21)內開設第二引線孔(29)，第二引線孔(29)內設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層(27)位於外殼(19)外部。7.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:圓形主壓電片(25)的中心線與環形輔壓電片(23)的中心線為同一中心線。8.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:主壓電密封聲阻抗匹配層(26)的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層(24)間設置固定距離。9.根據權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特徵在於:圓形主壓電片(25)是圓餅形，環形輔壓電片(23)是環餅形，圓形主壓電片(25)和環形輔壓電片(23)平行同軸安裝。
【文檔編號】G01F1/66GK205719133SQ201620593175
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】王燕
【申請人】濟南新盛電子科技有限公司