CN101858762B - 管壁反射式超声波流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量传感器，特别涉及一种应用于热量表、水表的管壁反射式超声波流量传感器。该管壁反射式超声波流量传感器，包括传感器的管壁，两个超声波换能器左右设置在管壁内的同一水平线上，其特征在于：所述管壁上两个超声波换能器中间设置有工艺加工孔，与工艺加工孔位置相对的管壁是上介面和下介面均为水平的平面壁。本发明增高了接收信号幅值，有利于提高流量检测的精度和稳定性，降低辅助技术的性能要求甚至不用辅助技术，从而减低超声波流量传感器的整体复杂性和水表热能表的成本。

Description

管壁反射式超声波流量传感器

(一)技术领域

本发明涉及一种流量传感器，特别涉及一种应用于热量表、水表的管壁反射式超声波流量传感器。

(二)背景技术

现有的超声波流量传感器一般采用金属薄片或传感器管壁作为声学反射装置，对于声学反射装置的设计只是从外观结构、支撑结构、连接结构方面进行考虑。由于流体和声学反射器装置之间的介面尺寸不是远远小于声学反射装置中的波长，而是与波长同一数量级甚至小于波长，实际反射效果与按无限介面分析的反射效果(全反射)有很大差别，所以不经过特殊设计的声学反射装置，反射效率比较低，造成回波幅值小，为了提高流量测量精度和重复性，必须在换能器、发射电路、接收电路等方面采取一些辅助技术，增加信号处理的复杂性和整体成本。

现有的声学反射装置的设置方式主要有两种：

一、声学反射装置是通过某些连接结构固定在超声波流量传感器的流体通道中的金属片，四周充满流体，在反射面上超声波入射，实现两倍角度的声路转折，声学反射装置厚度没有特别设计，在其上下面形成的两反射波可能发生相消效果的干涉，造成接受换能器信号幅值小。

二、声学反射装置是在超声波流量传感器管壁上与声路相交的区域加工成平面或安装具有平面结构的构件，也可能流体通道为方形，使通道内壁的一个平面作为反射装置，管壁外侧无特别设计而为圆弧形；由于反射面较小，入射波未能全反射，透射到达弧形的发射面的超声波在介面上发生反射，由于入射波是平面波，反射面为柱状弧面，反射波大部分无法到达接受换能器，造成信号幅值小。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种接收幅值高、信号处理简单的管壁反射式超声波流量传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种管壁反射式超声波流量传感器，包括传感器的管壁，两个超声波换能器左右设置在管壁内的同一水平线上，其特殊之处在于：所述管壁上两个超声波换能器中间设置有工艺加工孔，与工艺加工孔位置相对的管壁为上介面和下介面均是水平的平面壁。

本发明为充分利用透射到管壁的超声波能量，使其对接收换能器的信号幅值产生最大的增强作用，对作为声学反射器装置的构件，除了与流体接触面即上介面设计为平面外，将构件的另一侧介面即下介面设计成与内壁平行的平面，其壁厚满足一定条件，使经下介面反射回到流体中的反射波与直接由上介面反射回流体中的反射波相位相同，由超声波的叠加作用增强接收信号幅值，既避免下介面不与上介面平行浪费了透射进入声学反射器装置构件的超声波能量，又避免透射进入声学反射器装置构件的超声波能量形成反射波对上介面的反射波的干涉相消作用。

本发明的更优方案为：

所述反射壁的壁厚满足(8n+3)*λ/16≤d/cosα≤(8n+5)*λ/16，其中，d为壁厚，α为超声波入射角，λ为超声波在管壁介质中的纵波波长，n为自然数(0、1、2……)。

上下介面反射波的相位差与波长λ、入射角α、壁厚d有关，满足关系式d/cosα＝(2n+1)/4λ，n取值为自然数(0、1、2……)时相位相同，接收幅值最大。两上下介面距离d与上式列出的优选值任意一个相差在λ/16范围内，也有明显的增强接收信号幅值的效果。

所述工艺加工孔的孔壁上设置有螺纹，便于待超声波流量传感器加工成型后用螺丝密封。

所述上介面和下介面均为圆形平面，上下介面的中轴线为同一直线。

本发明增高了接收信号幅值，有利于提高流量检测的精度和稳定性，降低辅助技术的性能要求甚至不用辅助技术，从而减低超声波流量传感器的整体复杂性和成本。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明超声波在反射壁的反射状态；

图3为图1所示A-A面剖面示意图。

图中，1上介面，2工艺加工孔，3超声波换能器，4管壁，5流体通道，6下介面。

(五)具体实施方式

实施例1：

如附图所示，流体通道5整体上是圆柱形，管壁4外壁整体上是圆柱面，在超声波流量传感器的上部加工出口中轴线过流体通道5中轴线的两个圆形换能器安装平台，并且两个换能器安装平台的中轴线相交于管壁4内壁。在超声波流量传感器上方沿角平分线为轴心加工出工艺加工孔2，孔壁有螺纹，待超声波流量传感器加工成型后可以使用螺丝密封。

以两个换能器安装平台中轴线的角平分线作为声学反射装置的两个反射面的法线，过两个换能器安装平台中轴线的焦点加工上介面1，上介面为圆形平面，可通过工艺加工孔2对管壁4内壁进行加工获得。在管壁4外壁加工下介面6与上介面1平行，下介面为圆形平面，中轴线也是两换能器安装平台中轴线的角平分线，可通过对管壁4外壁的加工获得。上介面1和下介面6构成声学反射装置。

该超声波流量传感器的管壁4材料是铜，换能器频率为1MHz，两个换能器安装平台中轴线与声学反射装置法线夹角为45°，上介面1与下介面间距1.2mm，正好满足本发明技术方案的特定关系。

使用上述实施方式的超声波流量传感器，在相同的发射接收电路、相同换能器、相同反射面加工面积条件下，相对于原有的技术，接收信号幅值有1.3伏(峰峰值)提高到2.5伏(峰峰值)，并且有利于提高流量检测的精度和稳定性。

实施例2：

如实施例1，流体通道5整体上可改为长方体结构，如果在声路转折位置的管壁外壁也加工出与管壁4内壁反射平面平行的面结构，亦为本发明技术方案的一种实施方式，特别是声路转折位置的管壁4厚度满足本发明技术方案的优选值关系式或有明显的增强接收信号幅值的效果的偏差范围。

实施例3：

如实施例1，上介面1和下介面2可为其他平面形状，亦为本发明的技术方案的一种实施方式，特别是声路转折位置的管壁4厚度满足其优选值关系式或有明显的增强接收信号幅值的效果的偏差范围。

Claims (3)

1.一种管壁反射式超声波流量传感器，包括传感器的管壁（4），两个超声波换能器（3）左右设置在管壁（4）内的同一水平线上，其特征在于：所述管壁（4）上两个超声波换能器（3）中间设置有工艺加工孔（2），与工艺加工孔（2）位置相对的管壁（4）为上介面（1）和下介面（6）均是水平的平面壁；所述平面壁的壁厚满足（8n+3）*λ/16 ≤d/cosα≤（8n+5）*λ/16，其中，d为壁厚，α为超声波入射角，λ为超声波在管壁介质中的纵波波长，n为自然数（0、1、2······）。

2.根据权利要求1所述的管壁反射式超声波流量传感器，其特征在于：所述工艺加工孔（2）的孔壁上设置有螺纹。

3.根据权利要求1所述的管壁反射式超声波流量传感器，其特征在于：所述上介面（1）和下介面（3）均为圆形平面，上下介面的中轴线为同一直线。

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