一種雙聲程換能器超聲波燃氣表的制作方法
【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(nèi)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于殼體外側，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(huán)形凸臺，環(huán)形凸臺上開設圓形槽，環(huán)形凸臺外壁處開設環(huán)形安裝槽，環(huán)形安裝槽內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片。它能夠利用主、輔壓電片的聲程差準確測量得到介質(zhì)靜止聲速，因此能夠準確測量得到介質(zhì)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 ]本發(fā)明涉及燃氣表，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(yè)生產(chǎn)中應用極為廣泛，所有燃氣表均采用單晶片或單壓電片的換能器測量氣體流量。由于燃氣組份、壓力、溫度隨時發(fā)生變化，因此，介質(zhì)的靜止聲速極難獲得，而準確獲得介質(zhì)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(zhì)聲速的方法是通過提高超聲波的發(fā)射功率以提高接收首波的幅度，對接收信號采用高速ADC采樣，然后從接收的波形中估算出聲超波的傳播時間，然后再進一步計算出聲速。這種燃氣表結構的不足是，發(fā)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(nèi)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明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(nèi)采用雙壓電片，在介質(zhì)中產(chǎn)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(zhì)靜止聲速的目的，以解決現(xiàn)有技術的不足。
[0004]本發(fā)明為實現(xiàn)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(nèi)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于殼體外側，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(huán)形凸臺，環(huán)形凸臺上開設圓形槽，環(huán)形凸臺外壁處開設環(huán)形安裝槽，環(huán)形安裝槽內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片，環(huán)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(nèi)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(huán)形輔壓電片的內(nèi)徑大于圓形主壓電片的直徑，圓形主壓電片與環(huán)形輔壓電片在垂直方向設置固定距離，環(huán)形凸臺中部開設第一引線孔，第一引線孔內(nèi)設置第一導線，第一導線穿過外殼位于外殼外部，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。殼體由前殼體和后殼體組成，前殼體和后殼體以殼體長度方向中部分界。環(huán)形凸臺的上邊沿高于外殼的上邊沿，環(huán)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于同一平面內(nèi)。環(huán)形安裝槽內(nèi)開設第二引線孔，第二引線孔內(nèi)設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層位于外殼外部。所述圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。圓形主壓電片的中心線與環(huán)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(huán)形輔壓電片是環(huán)餅形，圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片平行同軸安裝。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)點在于:在流速屏蔽管內(nèi)安裝圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片兩個壓電片，在使用時使被測介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生兩個聲程，用兩個聲程間的聲程差測量介質(zhì)靜止聲速，從而測量氣體流量。本發(fā)明所述的帶有圓形主壓電片和環(huán)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(zhì)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(nèi)。，流速屏蔽管O的區(qū)域，兩個換能器之間由于主、輔壓電片的存在，會形成兩個聲程，主聲程的長度小于輔聲程的長度，在同一個換能器上的主、輔壓電片之間的聲波差程中，由于流速屏蔽管的作用，在聲波差程中介質(zhì)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(jù)主、輔聲程差計算出準確的聲速，由于在這段差程中介質(zhì)流速為0，因此測量得到的聲速就是介質(zhì)靜止聲速。由于本發(fā)明能夠利用主、輔壓電片的聲程差準確測量得到介質(zhì)靜止聲速，因此能夠準確測量得到介質(zhì)的流速，從而提高了超聲波燃氣表的測量準確度。
[0006]本發(fā)明的燃氣表在流體屏蔽管道內(nèi)安裝兩個換能器，當其中一個換能器的圓形主壓電片發(fā)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，然后環(huán)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(huán)形輔壓電片之間產(chǎn)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(huán)形輔壓電片的信號通過“過零”整形后，用鑒相器可以精確測量到該時間差，然后再根據(jù)圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片的聲程差算出介質(zhì)的聲速，由于換能器的圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片間的介質(zhì)流速為零，測量到的聲速就是介質(zhì)靜止時的聲速。目前的脈沖擴展的數(shù)字鑒相器的精度可以做到0.1ns-
0.3ns，當圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片的聲程差為2mm時，聲速的測量精度可達到0.01-
0.05m/s。經(jīng)檢測，本發(fā)明的超聲波燃氣表的流量測量誤差為0.1%-0.4%。本發(fā)明所述的燃氣表內(nèi)僅需24V以內(nèi)的發(fā)射電壓，使用安全性高，功耗低，涉及的電路工作電壓范圍在高壓CMOS范圍內(nèi)，易于實現(xiàn)超聲波燃氣表專用處理電路的集成化，對CPU要求低，能夠?qū)邮招盘柸坎捎谩斑^零”比較，然后進行脈沖擴展鑒相實現(xiàn)時間差的測量，電路處理簡單，制造成本低等。
【附圖說明】
[0007]附圖1是本發(fā)明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是本發(fā)明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]對照附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0009]本發(fā)明所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，包括殼體I，其特征在于:殼體I上開設第一透槽5和第二透槽6，殼體I內(nèi)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位于殼體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(huán)形凸臺2，環(huán)形凸臺2上開設圓形槽22，環(huán)形凸臺2外壁處開設環(huán)形安裝槽21，環(huán)形安裝槽21內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片23，環(huán)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(nèi)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(huán)形輔壓電片23的內(nèi)徑大于圓形主壓電片25的直徑，圓形主壓電片25與環(huán)形輔壓電片23在垂直方向設置固定距離，環(huán)形凸臺2中部開設第一引線孔28，第一引線孔28內(nèi)設置第一導線3，第一導線3穿過外殼19位于外殼19外部，外殼19下部填充封膠層27。
[0010]本發(fā)明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(chǎn)生主聲程，一個圓形主壓電片和另一個環(huán)形輔壓電片間產(chǎn)生輔聲程，兩個聲程有一個聲程差，聲程差選擇為介質(zhì)最小聲波波長的(N+x)倍，N取整數(shù)，X為0-1之間的小數(shù)，最佳選擇N=O，x=
0.6—0.8，通過電路板中鑒相器可以測出主輔壓電片接收到信號的時間差t，然后用公式C=L/t就可以計算出介質(zhì)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運算后從而檢測出氣體流量。本發(fā)明所述燃氣表內(nèi)安裝的本發(fā)明的換能器置入流速屏蔽管內(nèi)一端或兩端，流速屏蔽管[A2]本發(fā)明所述換能器的圓形主壓電片信號可以采用“過零”整形，在[A3]。由于本發(fā)明所述換能器可以對接收信號全部采用過零比較，然后再進行脈沖擴展鑒相實現(xiàn)時間差的測量，因此，可使電路設計簡單化，并能達到精度高的要求。
[0011]本發(fā)明所述的第一管道7或第二管道8上安裝溫度測量儀16和壓力測量儀17。
[0012]本發(fā)明所述的殼體I由前殼體和后殼體組成，前殼體和后殼體以殼體I長度方向中部分界。便于安裝殼體內(nèi)的各種部件。
[0013]本發(fā)明所述環(huán)形凸臺2的上邊沿高于外殼19的上邊沿，環(huán)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的上邊沿位于同一平面內(nèi)。本發(fā)明采用圓錐面30，用于減小對超聲波的遮擋，提高環(huán)形輔助壓電片接收信號的強度。
[0014]本發(fā)明進一步的方案是:環(huán)形安裝槽21內(nèi)開設第二引線孔29，第二引線孔29內(nèi)設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層27位于外殼19外部。
[0015]本發(fā)明優(yōu)選的方案是:所述圓形主壓電片25和環(huán)形輔壓電片23均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。
[0016]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:圓形主壓電片25是圓餅形，環(huán)形輔壓電片23是環(huán)餅形，圓形主壓電片25和環(huán)形輔壓電片23平行同軸安裝，相互之間距離(N+x)倍介質(zhì)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(fā)射與接收對稱均勻，進一步保證測量精度。
[0017]本發(fā)明所述圓形主壓電片25的中心線與環(huán)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(huán)形輔壓電片23兩個壓電片在空間上呈相互平行狀態(tài)，產(chǎn)生的聲程準確，并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]本發(fā)明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(huán)形輔壓電片之間的聲程差，取波長的(N+x)倍，其中N取整數(shù)，X為0-1之間的小數(shù)，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(zhì)的最小波長為2.5mm，那么主輔聲程差可以選擇為:1.5 - 2mm。
[0019]本發(fā)明所述燃氣表將兩個本發(fā)明所述換能器分別安裝在流速屏蔽管的兩端，或者一端采用現(xiàn)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(nèi)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(chǎn)生主聲程，與環(huán)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(huán)形輔壓電片之間的距離差，采用測量圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片之間的信號時間差，然后再根據(jù)主、輔壓電片之間的聲程差計算出被測介質(zhì)的靜止聲速，然后再根據(jù)兩個換能器之間圓形主壓電片之間測量得到沿介質(zhì)流動方向正反傳播的超聲波時間差，再根據(jù)介質(zhì)的靜止聲速算出介質(zhì)流動速度，從而完成氣體流量的測量。
[OO2O]附圖中10為印制電路板、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)，其特征在于:殼體(I)上開設第一透槽(5)和第二透槽(6)，殼體(I)內(nèi)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)位于殼體(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(huán)形凸臺(2)，環(huán)形凸臺(2)上開設圓形槽(22)，環(huán)形凸臺(2)外壁處開設環(huán)形安裝槽(21)，環(huán)形安裝槽(21)內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片(23)，環(huán)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(nèi)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(huán)形輔壓電片(23)的內(nèi)徑大于圓形主壓電片(25)的直徑，圓形主壓電片(25)與環(huán)形輔壓電片23)在垂直方向設置固定距離，環(huán)形凸臺2)中部開設第一引線孔28)，第一引線孔(28)內(nèi)設置第一導線(3)，第一導線(3)穿過外殼(19)位于外殼(19)外部，外殼(19)下部填充封膠層(27)。2.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于: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(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:殼體(I)由前殼體和后殼體組成，前殼體和后殼體以殼體I)長度方向中部分界。4.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:環(huán)形凸臺(2)的上邊沿高于外殼(19)的上邊沿，環(huán)形凸臺(2)上部外表面為圓錐面(30)。5.根據(jù)權利要求4所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:所述圓錐面(30)的底端與外殼(19)的上邊沿位于同一平面內(nèi)。6.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:環(huán)形安裝槽(21)內(nèi)開設第二引線孔(29)，第二引線孔(29)內(nèi)設置第二導線，第二導線一端穿過封膠層(27)位于外殼(19)外部。7.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:所述圓形主壓電片(25)和環(huán)形輔壓電片(23)均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。8.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:圓形主壓電片(25)的中心線與環(huán)形輔壓電片(23)的中心線為同一中心線。9.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于: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。10.根據(jù)權利要求1所述的一種雙聲程換能器超聲波燃氣表，其特征在于:圓形主壓電片(25)是圓餅形，環(huán)形輔壓電片(23)是環(huán)餅形，圓形主壓電片(25)和環(huán)形輔壓電片(23)平行同軸安裝。
【文檔編號】G01F1/66GK106092230SQ201610432589
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】王燕
【申請人】濟南新盛電子科技有限公司