专利名称：具有直接连接且固定至测量电路板上的超声换能器的流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于流体流量的超声测量的超声流量计，例如用于耗量计 (consumption meter)的超声流量计。具体地，本发明提供了一种具有测量电路板的流量计，超声换能器被电连接至并且固定至测量电路板上。
背景技术：
通常，适于在充填消耗量(例如，热量、冷量、水或气)时测量流体流量的超声流量计具有壳体，壳体可以是金属的或聚合体的，壳体具有用于接纳被测量的流体流量的贯通孔形式的腔。连接至其它流体元件的连接装置存在于每个壳体端部。在壳体中，安装有多个用于测量流体速度的超声换能器。在多数流量计中，使用两个超声换能器用于发送，相应地接收，超声信号，但已经发现只有一个超声换能器的形式， 以及具有多于两个超声换能器的形式。另外，测量电路，也就是用于操作超声换能器的电子电路典型地被安装在单独的封壳内并且紧固到壳体上。更通常地，电子电路被实现在印刷电路板(PCB)上。超声换能器可以不同的方式电连接至电子控制电路。通常的方法是将连接线的端部分别直接焊接到超声换能器和PCB上，或者在它们之间使用插头连接。然而，现有技术的超声流量计的一个共同问题是，在制造过程中，在对流量计进行有意义的测试之前需要完全装配流量计。因此，在所述测试程序中不合格(fail)的项目(species)在制造过程中的最后状态显露出来，因此对这些项目来说浪费了装配时间。
发明内容
由于上述原因，可以看出，本发明的目的是提供一种用于流体流量的超声测量的改进的超声流量计以及一种能够在最终装配之前进行测试的制造流量计的改进的方法。因此，在第一方面中，本发明提供了一种设置用于测量流体流速的超声流量计单元，所述流量计包括-第一超声换能器，以及-电路板，其上设置有用于操作所述第一超声换能器例如压电超声换能器的电子电路，其中，所述第一超声换能器被通过第一导电固定装置机械固定至电路板，所述第一导电固定装置另外用于在所述第一超声换能器的第一电端子和电子电路之间提供电连接，例如经由与电子电路电连接的电路板的表面上的导电路径。因此，提供了用于流体流量的超声测量的超声流量计单元。具体地，可以看出，因为实现了与超声换能器的定位和安装有关的零件的集成的改进，因为电路板与固定装置一起用于将超声换能器固定并且电连接至电路板，从而构成了机械独立的单元，在将此单元安装到流量计壳体，例如在贯通开口内设有测量管的壳体，或者例如具有集成于其内的测量管的壳体，的最终装配步骤之前可以很容易地对其进行测试。这对于高效生产是很重要的，因为在最终组装此机械独立的单元和壳体之前，可以测试包括换能器和电路板的此机械独立的单元。因此，生产成本可被降低，因为不合格的项目在较早的状态暴露，并且另外， 在自动制造过程中消除了换能器和电路板之间的电线的相当复杂的操作以及电线的连接。 而且，由于零件和连接更少，所以可以获得更可靠的流量计。此外，这可以使超声流量计寿命延长。另外，因为公差减小，所以可以具有更高的精度。此外，将超声换能器直接安装到电路板上减少了将超声换能器固定和电连接到电路板上的部件数目，并且消除部件有助于节省空间以及允许紧凑的流量计。特别地，优选压电材料的单体形式的超声换能器被直接固定和电连接到电路板的表面上，从而，形成具有更少的独立部件的非常紧凑的超声测量单元。另外，通过使用用于机械固定和电连接超声换能器的固定装置能够消除制造过程中的包括安装超声换能器在内的多个步骤。另外，通过将超声换能器的至少一个电端子直接且永久地固定和电连接至测量电路消除了操作超声换能器的脆弱线连接的需要。因此， 制造过程便利了，并且最终的流量计中的功能性误差源消除了，因为线连接机械方面易损坏并且可能很容易断开，从而导致流量计故障。再另外，通过所定义的超声换能器的固定和电连接，可以提供紧凑的超声测量单元，所述超声测量单元包括例如一个插头连接形式的电接口，所述一个插头包括两个、三个或四个电引脚，用于提供所有必须的外部电连接，优选地包括传递被测量的流体流速的一个电端子，例如具有对应于被测量的流体流速的频率的电脉冲的形式。因此，可以提供一种紧凑的超声测量单元，其不但容易测试，而且提供集成到多种应用中的高度通用性 (versatility)。这种流量计单元可以包括电连接至电路板上的电池，从而允许所述流量计单元作为单独的测量单元操作。但是，对于其它应用来说，通过电接口端子对电路板上的电子电路供电可能是优选的。在一些应用中，单元的电接口可以是无线通信模块的形式，例如用于传递表述被测量的流体流速的数据的无线射频模块。当用作耗量计的一部分时，流量计的电路板可以包括用于实施所设置的计算电路所需的所有必要电子部件或所需的必要电子部件的至少一部分，所述计算电路用于根据来自流量计的流体流速确定物理实体的耗费量。然而，在被连接到具有其中一个被提及的电接口选择的流量计上的单独的单元中提供计算电路设备可能也是优选的。优选地，固定装置包括焊料或导电胶或粘接剂，并且特别地，超声换能器可以在表面贴装技术(SMT)过程中进行固定和电连接，例如与构成电子电路的电子部件到电路板上的安装一起。此过程可以手动进行，然而，使用SMT贴装，使用已知的生产设备利用超声换能器的高精度定位，此流量计适合于自动大规模生产。因此，在两个换能器的形式中，超声换能器可以相对于彼此并且相对于电路板精确定位，由此，便于与准备用于接纳电路板和换能器的流量计壳体的最终装配。所述第一固定装置优选地包括下述中的至少一个焊料、导电胶和导电夹子。例如这些不同类型的固定装置可以用于固定和连接超声换能器的第一和第二电端子。优选地， 超声换能器的压电元件被直接固定和电连接至电路板的表面上的导电路径，由此提供了电路板和超声换能器的非常紧凑且简单的机械和电的组合互连。优选地，第一固定装置用于将所述第一超声换能器的第一电端子电连接至电路板的表面上的导电路径，所述导电路径被电连接至电子电路。特别地，所述导电路径可以被成形为适合第一超声换能器的第一电端子的几何形状的至少一部分。所述第一超声换能器具有当被固定到电路板上时面对着电路板的大体平面的表面。特别地，所述第一超声换能器可具有大体圆形或矩形的外部形状并且具有设置在相应相反的平面表面上的第一和第二电端子。圆形形状的超声换能器可能是优选的，因为它是自动制造机械例如机器人非常容易操作的形状。作为替代，第一超声换能器可以具有圆形形状并且具有相对于彼此中央设置的第一和第二电端子。这使得超声换能器能够在简单的 SMT贴装过程中完全电连接到电路板上，其两个电端子只使用换能器的一侧。在一些实施例中，第一导电路径被电连接至第一换能器的第一电端子，并且电路板的表面上的第二导电路径用于电连接电子电路与所述第一超声换能器的第二电端子。特别地，金属夹子可以用于将所述第二导电路径电连接至所述第一超声换能器的第二电端子，例如，换能器的第一电端子被直接焊接至或导电地粘接到第一导电路径上。特别地，这种金属夹子可以被焊接至第二导电路径，例如在与电路板上的所有其它部件的同一 SMT过程中，并且其中，金属夹子被成形为使电连接至所述第一超声换能器的第二电端子需要施加外力。因此，金属夹子可以被弯曲成形以使其在安装过程中不与超声换能器的电端子接触。因此，此夹子适合于SMT贴装，并且在安装到壳体上时，换能器将面对着壳体的表面，并且因此夹子被压在换能器的第二电端子上并且因此提供接触。作为金属夹子解决方案的替代，第一和第二导电路径可以借助于焊料或导电胶电连接至相应的第一和第二电端子。所述电路板可以具有一个或多个贯通开口，当所述第一超声换能器被固定到电路板上时，第一超声换能器部分地或整体地覆盖所述一个或多个贯通开口，例如，所述导电路径的一部分设置在电路板中的所述贯通开口的至少一个附近。因此，对电路板来说可以适应压电超声换能器元件的热扩展和收缩。 在许多应用中，例如小流量计，流量计单元可以还包括第二超声换能器，其中，所述电子电路被进一步设置用于操作所述第二超声换能器，所述第二超声换能器被通过第二导电固定装置机械固定至电路板，所述第二导电固定装置另外用于在所述第二超声换能器的至少一个电端子和电子电路之间提供电连接，并且，第一和第二超声换能器被机械固定至电路板的同一侧。可以设置反射器用于在两个超声换能器之间在流体的上游或下游方向上引导超声信号。在这种两个换能器的形式中，可以围绕着电路板和第一和第二超声换能器设置大体防水薄膜或外壳，以提供高度通用性的单独的流量计单元。由于防水外壳的存在，关键的电零件被密封不存在变湿的问题，例如在冷量耗量计中。带有多个电端子的插头可以穿透所述薄膜而允许外部连接至电子电路。所述薄膜的至少一部分可以是导电的并且用于电连接所述第一超声换能器的第二电端子与所述第二超声换能器的第二电端子。因此，薄膜可以用于将两个换能器的第二电端子电连接至电子电路，例如用于形成换能器的公共接地连接器。因此，在两个换能器的第一电端子被焊接至电路板的实施例中，消除了对电线或夹子的需要。优选地，电路板至少在所述第一超声换能器被固定于电路板上的区域中是大体平面的，例如，所述电路板在其整个延伸范围内是大体平面的。通常可以使用一层或者多层印刷电路板(PCB)。优选地，电路板是平面的并且足够坚硬，以保证安装于其上的两个超声换能器关于相对角位移被固定在可接受的公差内。换句话说，从两个超声换能器发射的超声波的方向优选不明显受电路板的弯曲影响，并且因此这两个超声换能器应该能够垂直于平面电路板的表面发射超声信号。在两个换能器的实施例中，第一和第二超声换能器可以设置用于在大体垂直于超声流量计的测量管中的流体方向的方向上发射超声信号。然而，在一些应用中，例如在适于大流体流量的流体流量计中，优选地可以设置换能器以使其在关于流体流动方向的另一角度，例如20° -80°，上发射超声信号。超声流量计可以具有由金属例如铜或不锈钢形成的壳体。在另一实施例中，超声流量计具有由聚合体材料形成的壳体。聚合体材料的优势在于可以避免壳体中用于超声换能器的开口，因为超声信号可以穿过具有适当的物理和尺寸性能的聚合体材料传递。因此可以消除密封，从而改善流量计的不渗透性，并且来自流体的压力不会加载超声换能器而是只使流量计壳体承载。本发明提供了一种用于测量流体流速的多种应用的高度通用性独立的单元。简单的电接口可以被提供，其中被测量的流速被输出为脉冲。此接口可以被缩减至单一的一个电引脚，例如参考欧洲专利申请文献No. EP 2 042 837，例如金属材料的外壳部分用作接地连接器。因此，此单元很容易适合于不同的应用。在一些实施例中，电池被提供于防水外壳 (casing)内，从而允许具有简单电接口的完全独立的流量计单元。另外，由于所述单元的较紧凑的尺寸，特别是在其中电子电路被改进成允许高测量精度的形式中，其第一和第二超声换能器之间的距离有限，例如，如欧洲专利申请EP 09180619. 0(2009年12月23日提交)所描述的，所以其应用范围得以扩展。这意味着该单元可以用于对流速传感器只有有限空间可用的应用中。相关应用的示例有用于充填目的的耗量计，医学检查或监视中的血流测量，食品工业中的成分流量测量；机械(例如车辆)中的水、空气或燃料的流量测量，作为到加热/ 冷却控制系统的反馈而提供至单一源或者加热/冷却元件组的流量(或基于流动测量的相关加热/冷却功率)测量。在第二方面中，本发明提供了一种包括根据第一方面的流量计的装置。在第三方面中，本发明提供了一种设置用于测量流经测量管的流体流速的流量计，其中，所述流量计包括-壳体，其内设有测量管，以及-相对于壳体设置的根据第一方面的超声流量计单元。在第四方面中，本发明提供了一种耗量计热量表(heating meter)、冷量计 (cooling meter)、水表或气表。流量计可以或多或少地与实施耗量计功能的零件集成，例如，被容置在一个公共外壳内，或容置在彼此分开的外壳内且通过有线或无线的方式相连。在第五方面中，本发明提供了一种制造超声流量计单元的方法，所述方法包括a)提供带有电子部件的电路板，所述电子部件被设置用于形成操作第一超声换能器的电子电路，b)通过第一导电固定装置将所述第一超声换能器机械固定例如借助于表面贴装技术焊接过程固定至电路板，或者将所述第一超声换能器机械固定例如借助于表面贴装技术焊接过程固定至与电子电路电连接的电路板的表面上的导电路径，其中，所述第一导电固定装置另外用于在所述第一超声换能器的第一电端子和电子电路之间提供电连接。优选地，所述第一导电固定装置是焊料，并且所述方法包括将金属夹子焊接至与电子电路电连接的电路板的表面上的导电路径，所述金属夹子被设置用于提供至第一超声换能器的第二电端子的电连接。优选地，步骤b)以及将电子电路的电子部件安装至电路板的表面上的导电路径的步骤在一个SMT过程中进行。特别地，所述SMT过程可包括将第一超声换能器通过第二导电固定装置机械固定至电路板，所述第二导电固定装置另外用于在所述第二超声换能器的第一电端子和电子电路之间提供电连接，或者将所述第一超声换能器机械固定至与电子电路电连接的电路板的表面上的导电路径。在第六方面中，本发明提供了一种制造流量计的方法，所述方法包括-制造根据第五方面的超声流量计单元，以及-相对于设置有测量管的壳体安装所述超声流量计单元。此装配程序的优势在于其能够非常容易地执行并且可以实现自动化。因为只需要很少的步骤并且只操作很少的部件，此过程可以在短时间内完成。特殊的制造方法包括借助于一个或多个夹子例如金属夹子将超声换能器固定至电路板。此装配程序很简单，但具有很好的定位精度。使用非常少的不同部件，并且包括非常少的装配程序。优选的制造方法包括将超声换能器焊接至电路板，例如借助于SMT焊接过程。通过超声换能器的SMT定位，获得了 SMT机械的高精度。定位精度大约几分之一毫米，例如 1.0mm以下，例如0. Imm以下，例如0.01mm以下。另一优势是电路板和至少一个超声换能器之间的电连接可以与安装相关地建立，由此，消除了固定和电连接两个单独的过程。另一优选的制造方法包括在将所述机械独立的流量计单元安装到设置用于流体的壳体上之前测试所述单元的功能的步骤。此制造方法是具有优势的，因为在将机械独立的单元安装到设置用于流体的壳体上之前测试所述机械独立的单元的功能可以暴露故障。 在故障的情况下，可以在增加装配程序的花费之前废弃产品，并且因此潜在地降低了总制造成本。应了解，对第一方面描述的优势也适用于其它提及的方面。另外，第一方面的实施例可以任何方式与其它提及的方面相结合。从下面关于所描述的实施例的说明中，本发明的这些和其它方面、特征和/或优势将变得显然。
下面参考附图仅通过示例描述本发明的实施例，其中图Ia和Ib分别示意出处于组装的状态和预组装的状态中的包括电路板以及安装在电路板的平面外面的两个超声换能器的机械独立的单元；图加和2b示意出装配在机械独立的单元中之前和之后的电路板和超声换能器， 其中所述机械独立的单元由电路板和在SMT过程中安装的两个超声换能器组成；图3示意出超声流量计，其具有由金属制成的流量计壳体以及包括电路板和两个超声换能器的机械独立的单元；
图4示意出超声流量计，其具有由聚合体制成的流量计壳体以及包括电路板和两个超声换能器的机械独立的单元；以及图fe和恥示意出一个SMT实施例，其具有围绕着电路板中的中央孔设置的环形导电路径；图6a和6b示意出类似于图5的另一 SMT实施例，但在环形导电路径外面具有另外的贯通开口；图7示意出又另一 SMT实施例，其中大致环形导电路径设置在包围环形导电路径的一个贯通开口内，但环形导体和下面的电路板部分具有切口以更好地允许制造过程中的热运动；图和8b示意出SMT实施例，其中环形导电路径连接至第一换能器端子，而电路板上的另一导体连接至用于连接至第二换能器端子的金属夹子；以及图9a和9b示意出的SMT实施例具有用于焊接至超声换能器的相应的中央设置的电端子的导电垫，从而允许换能器完全SMT贴装到电路板上。
具体实施例方式图Ia示出了包括平面单层或多层电路板102的机械独立的单元100，电路板102 具有例如用SMT贴装部件实现的电子电路104，并且具有圆柱形的压电超声换能器106，超声换能器106被间隔安装并且安装在电路板102限定的平面外面，也就是安装在电路板102 的表面上。在所示实施例中，超声换能器106被安装在电路板102的相应贯通孔上面，但是， 其它实施例可以具有不贯通的腔，或者具有没有孔的平面表面。超声换能器106被设置用于垂直于电路板102限定的平面辐射超声信号。电子电路104被设置用于控制超声换能器106的操作并且因此进行超声流测量 (ultrasound flow measurement)。电子电路104可以提供电脉冲形式的电输出信号，电脉冲的频率(rate)对应于被测量的流速，和/或电子电路104可以被设置用于输出表述被测量的流量的数据，例如，借助于例如单一电线上的数字电信号。金属夹子110用作固定构件，用于固定超声换能器106的位置并且用于提供到电路板102上的电子电路104的电连接。金属夹子110可以被SMT焊接至电路板102上的导电路径，但是，夹子110还可以通过其它装置例如导电胶，借助于穿过电路板102的螺钉或类似构件，附接至电路板。根据超声换能器106上的电端子的位置，图中所示的用于每个换能器106的两个夹子110可以只用于将一个电端子电连接至电路板，或者两个夹子110可以用于电连接超声换能器106的相应第一和第二电端子。包括电路板102和换能器106的单元100可以在安装到内部设有测量管的壳体 (housing)上之前并且因此在流量计的最后组装之前在测试台中进行电连接和测试。单元100可用于安装到具有或不具有通向将被测量的流体介质的贯通开口的流量计壳体上。但是，在优选实施例中，根据本发明的单元100与没有这种贯通开口的壳体结合使用，也就是，根据所谓的匹配层原理(matching layer principle)基于超声信号穿过壳体材料传输。例如，壳体可以是聚合体的壳体。图Ib示出了相对于电路板102安装超声换能器106之前的如图Ia所示的电路板 102的透视图。夹子110可以与电子电路104的电子部件在同一过程中SMT贴装在电路板102上，并且随后借助于夹子110将超声换能器106锁定在位并且电连接。如图中所示，超声换能器106被安装在电路板的相应贯通孔108上面，允许接触力跨过电路板102的平面施加在每个超声换能器106上，而不在电路板102的材料中施加力。图加示出了在SMD过程中将换能器固定在电路板上之前的两个超声换能器206 和带有电子电路204的电路板202。在适于SMT固定换能器206的优选实施例中，电路板 202被提供有圆形形状的贯通孔208，其直径小于圆形的换能器206，并且孔208被设置成当安装换能器206时换能器206覆盖孔208。但是，其它实施例可以具有不贯通的腔，或者没有孔或腔的平面表面。图2b示出机械独立的单元200包括带有电子电路204的电路板202和两个超声换能器206，其中换能器206在SMT过程中固定到电路板202上。电路板202和每个换能器206之间的焊料用于将换能器206机械固定至电路板202。另外，导电焊料将每个换能器 206电连接至电子电路204。图3示出了超声流量计的透视图，超声流量计具有金属的或聚合体的流量计壳体 320，具有适合于里面的流体的测量管314，以及包括带有电子电路304的电路板302以及两个压电超声换能器306的机械独立的部分。包括换能器306和电路板302的机械独立的单元被用支架316固定在壳体320上，以保证在操作过程中足够的力在朝向壳体中的测量管中心线的方向上被施加在换能器上，从而抵制在相反的方向上来自壳体里面的流体压力的力。流量计壳体320的每个端部被提供有螺纹318，以便于安装到相邻的管线上。电子电路304被提供有能够电连接至其它电子电路，例如计算器单元、电源和通信单元，的引脚 (pin)形式的外部连接。可选地，无线连接可以使用。图4示出了超声流量计的透视图，超声流量计具有聚合体的流量计壳体420，具有适合于流体并且带有在里面设有测量管的贯通开口 414，以及包括带有电子电路404的电路板以及压电超声换能器的机械独立的部分。聚合体的流量计壳体420被在模铸过程中整体地形成并且封装适于包含部件例如电子电路404的腔。该腔通过壁与贯通开口 414分开， 并且电路板上的超声换能器通过此壁传递超声信号并且因此根据所谓的匹配层原理操作。 包括换能器和电路板的机械独立的单元被用支架416夹紧在壳体420上。流量计壳体的每个端部被提供有螺纹418，以便于安装到相邻的管线上。电子电路404被提供有能够电连接至其它电子电路，例如计算器单元、电源和通信单元，的引脚形式的外部连接。可选地，无线连接可以使用。所示的实施例可以用作耗量表(耗量计)，例如水表，热量表或者冷量计。图fe和恥分别示出了预装配的状态和装配的状态中的可分离测试的单元500形式的电路板502的实施例。在图fe中包括电路板502的放大图，以更好地显示在超声换能器506下面围绕贯通开口 530设置的导电路径531。所示的实施例适于SMT贴装，例如在一个SMT贴装过程中的测量电路504的所有电子部件和超声换能器506的SMT贴装，其中，所有电子部件被直接焊接到电路板502上。SMT贴装后，单元500即准备好进行功能测试，因为在测试设置中它可以经由电端子550进行连接，也就是，用于在最终的流量计或者耗量计中进行电连接，例如连接至计算器单元，的相同的端子。可选地，导电胶可以被用于将超声换能器506固定和连接至电路板502的导电路径531。如图所示，电路板502在其整个延伸范围内是平面，并且原则上电路板502可以是简单的标准类型的一层、两层或跟多层电路板。孔530以及围绕圆形孔530的导电路径531
10用于确定超声换能器506的位置，以及因此确定最终的流量计中的两个超声换能器506之间的距离。因此，电路板502中的孔530之间的距离应该选择成流量计壳体的相应换能器位置，并且还应该选择成用于反射(reflect)两个超声换能器506之间的超声波的超声反射器之间的对应距离。利用超声换能器506的SMT贴装，优选地在自动生产线中，可以非常精确地相对于彼此定位两个超声换能器506，并且因此提供到流量计壳体的良好配合。在图5^恥所示的实施例中，超声换能器506是具有平面端部的圆柱形压电元件的形式。超声换能器506的两个电端子设置在相反的两端上，一个面对着电路板502，一个背对着电路板502。这两个电端子可以是整个端部或者可以是端部的一部分，特别是外围部分。在所示示例中，导电路径531被适于焊接至面对着电路板502的超声换能器506的端部外围上的电端子。背对着电路板502的超声换能器506的端部上的另一电端子可以通过其它装置，例如使用焊接到电端子上的电线，被连接至测量电路504。可选地，覆盖这两个换能器的导电薄膜可以用于在这两个换能器506的背对着电路板502的电端子之间建立电连接，并且其中此导电薄膜被连接至电子电路504，例如借助于焊接到薄膜上的电线。图6a和6b示出了图fe和恥的电路板的变异。优选地，借助于自动SMT过程，提供了可测试的单元600，单元600包括圆柱形压电元件形式的超声换能器606，以及带有用于操作超声换能器606的测量电子电路604的电路板602，其中所有电子部件和超声换能器 606被直接焊接到电路板602的导电路径上。在放大的视图中，安装超声换能器606的电路板602的区域具有适于连接至超声换能器606的一个电端子的圆形导电路径631。在本实施例中，圆形孔630形式的贯通开口在圆形导电路径631的区域外面设有四个狭窄的贯通开口 640。这些开口 640用于帮助适应压电元件606的扩展和收缩。如所看到的，当安装压电元件606时压电元件606覆盖孔 630，其中开口 640被设置在压电元件606覆盖的区域外面。图7示意出图6a和6b的电路板的变异。在图7中，大致环形导体731用于连接至压电元件的一个端子。导体731内部的贯通孔730以及导体731外面的贯通槽740，与导体731中的缺口 732以及电路板702的下面部分一起，这些孔和槽用于有效地吸收压电元件706的扩展和收缩。图8a和8b示意出另一电路板802变异，其中压电元件806的两个电端子被连接至电路板802，提供了准备用于测试的完整的流体测量单元800。电路板的表面上的环形导体831被设置用于焊接至压电元件806的第一电端子。此导体831在其附近具有中央贯通孔830，以及围绕其外围具有贯通槽840，与关于图7的实施例所描述的作用相同。但是，在本实施例中，电路板802的表面上的另一导体832被设置用于焊接至金属夹子810，也就是， 弯曲成形的金属件。导体832当被置于电路板上的预期位置上时位于圆形压电元件806的外围外面。然后，与将压电元件806固定和电连接至导体831在同一 SMT过程中，金属夹子 810可以被焊接至导体832。然而，可选地，金属夹子810可以在SMT贴装其它电子部件之后手动焊接至或者导电地粘接至导体832。如图所示，金属夹子810被弯曲成形，以提供到背对着电路板的压电元件806的那一侧的外围部分，也就是压电元件806的第二电端子，上的电接触。电子电路与压电元件806的这种类型的电连接的优势在于适合于在单一的一个自动SMT贴装过程中完成，因为在SMT过程中弯曲的金属夹子810不被压电元件806机械支撑，并且因此，在SMT过程中压电元件以及金属夹子810没有被妨碍与焊料和电路板802上的电路径进行正确的机械接触，否则的话，可能导致金属夹子810和电路板802上的电子电路之间的不良电连接。在这种情况下，当单元800安装在壳体上时，电接触即被建立，因为金属夹子810将被压在壳体的表面上，从而导致金属夹子801接触压电元件806的电端子。然而，应理解，金属夹子810 还可以被成形为当被焊接或固定到导体832上时提供到压电元件806的直接接触，而不需要任何外力，这是首选的。将压电元件806的一个电端子直接焊接至电路板802与经由焊接至电路板802上的金属夹子连接第二电端子相结合是具有优势的，因为可以在单一的一个SMT贴装过程中建立压电元件806的全部电连接，这是首选的。图9a和9b示意出电路板902变异，其适合于圆形压电元件906形式的超声换能器 906，超声换能器906的两个电端子907、909设置在一个平面侧的表面上，并且因此适于直接焊接至电路板902表面上的相应导体931、933。在图9a中，电路板902是从部件所在侧看过去的，而图9b示意出电路板902的相反侧，其中流体测量单元的外部电端子950可见， 此处示意为6引脚插头(plug)，然而，具有更少或更多电端子的外部接口可能是优选的。在具有车载电池(on-board battery)的实施例中，这种外部接口可以是完全无线的。在所示意的变异中，两个电端子907、909被中央地设置在压电元件906的一个表面上。第一电端子907具有环形形状并且设置在压电元件906的平面表面的外围部分上， 而第二电端子909被定位在表面的中央部分中，第一端子907里面。导体933设置于导体 931里面并且通过贯通开口 930分隔。在导体931外面，还提供贯通开口 940，它们的作用与前面描述的相同。放大的视图示意出面板上的对应的第一导体931，其具有适合第一端子907的形状的环形形状，而第二导体933设置于环形的第一导体931内部以配合第二端子909的位置。图9a和9b中示意的实施例是具有优势的，因为其允许在单一的一个SMT贴装过程中将超声换能器906完全电连接至电路板902，除焊料外不涉及其它的部件。然而，所示意的换能器906类型要求换能器906的正确侧面对电路板902才能工作。但是，如果考虑这方面，换能器906的机械固定和电连接可以在单一的一个SMT贴装过程中以很好的方式
纟口口。应理解，图5-9中示意的电路板上的导电部分的布置细节可根据所选的超声换能器的类型以任何方式组合以提供理想的配置。本发明提供了一种高度多功能独立的单元，用于测量流体的流速的多种应用中。 简单的电接口可以被提供，例如，所测量的流速被输出为脉冲。此接口可以被减少到单一的一个电引脚，例如参考欧洲专利申请文献No. EP 2 042 837，例如，金属的外壳的一部分用作接地连接器。因此，此单元很容易适合到不同的应用中。在一些实施例中，电池被提供于防水外壳内，从而允许具有简单电接口的完全独立的(self-contained)流量计单元。另外，由于所述单元的较紧凑的尺寸，特别是其中电子电路被改进成允许高测量精度的形式中，其第一和第二超声换能器之间的距离有限，例如，如欧洲专利申请EP 09180619. 0(2009年12月23日提交)所描述的，所以其应用范围得以扩展。这意味着该单元可以用于对流速传感器只有有限空间可用的应用中。
相关应用的示例有用于充填目的的耗量计，医学检查或监视中的血流测量，食品工业中的成分流量测量；机械(例如车辆)中的水、空气或燃料的流量测量，作为到加热/ 冷却控制系统的反馈而提供至单一源或者加热/冷却元件组的流量(或基于流动测量的相关加热/冷却功率)测量。在所有情况下，这些应用可以从高精度流体测量中获益，因为流量计适合于完全或至少高度自动的大规模生产，所以所述高精度流体流量测量可以低成本提供。总而言之，本发明提供了一种设置用于测量流体流速的超声流量计单元，所述超声流量计单元具有一个或多个超声换能器(606)和电路板(602)，电路板(60 具有设置用于操作超声换能器(106，306)的电子电路。例如压电元件形式的超声换能器(606)通过第一导电固定装置机械固定至电路板(602)，所述第一导电固定装置另外用于提供换能器 (606)的电端子与电子电路之间的电连接。因此，提供了一种可以在与流量计壳体等组装之前进行测试的流体测量单元(600)。优选地，一组超声换能器(106，306)被直接焊接到与电子电路电连接的电路板(602)的表面上的导电路径(631)上，例如，与将所有其它电子部件安装到电路板(60 上一起在单一的SMT贴装过程中。这些导电路径(631)附近的电路板 (602)的贯通开口(630，640)用于提供热弹性。焊接到电路板(602)上的金属夹子可以用于将换能器(606)的第二电端子电连接至电子电路。下面，实施例E1-E18描述了本发明的另外可能的实施例。El. 一种设置用于测量流经测量管的流体流速的超声流量计，所述流量计包括-壳体(620)，其内设有测量管(614)，以及-相对于壳体设置的机械独立的单元(100，300)，所述机械独立的单元(100，300) 包括-至少一个超声换能器(106，306)，以及-电路板(102，302)，其上设有用于操作所述至少一个超声换能器(106，306)的电子电路(104，304)，其中，至少一个固定构件(110,310)被附接至电路板(102，302)，其中， 所述固定构件(110，310)用于限制电路板(102，302)和超声换能器(106，306)之间的相对运动，例如，固定构件(110,310)用于将超声换能器(106,306)固定至电路板(110，310)。E2.根据El的超声流量计，其中，超声换能器(106，306)通过设置于电路板(102， 302)限定的平面外面，例如电路板(102，302)的表面上，的固定构件(110，310)保持在位。E3.根据El的超声流量计，其中，电路板(102,30 包括被成形用于安装超声换能器(106，306)的至少一部分的边缘(108，308)，并且其中，超声换能器(106，306)通过固定构件(110，310)保持在位，以当安装超声换能器(106，306)用于正常工作时电路板(102， 302)限定的平面横穿超声换能器(106，306)。E4.根据E3的超声流量计，其中，所述电路板的边缘(108，308)，与固定构件(110， 310) 一起，用于固定超声换能器(106，306)相对于电路板(102，302)的位置。E5.根据E3或者E4的超声流量计，其中，所述边缘是穿过电路板(102，302)的贯通孔(108，308)的边缘，其中，贯通孔(108，308)被成形为适合超声换能器(106，306)的尺寸。E6.根据E1-E5中任一的超声流量计，其中，固定构件(110，310)包括导电部分，并且其中，此导电部分用于电连接电路板(102,30 和超声换能器(106，306)。
E7.根据E6的超声流量计，其中，固定构件(110，310)的分开的第一和第二部分用于在超声换能器(106，306)和电路板(102,30 之间提供相应的第一和第二电连接。E8.根据E1-E7中任一的超声流量计，其中，固定构件(110，310)包括附接至电路板(102,30 的一个或多个夹子，例如一个或多个金属夹子。E9.根据E1-E8中任一的超声流量计，其中，固定构件(110，310)包括用于将超声换能器(106，306)附接至电路板(102,30 的一个或多个焊接部。E10.根据E1-E9中任一的超声流量计，包括通过固定构件(110，310)的相应第一和第二部分固定至电路板(102,30 上的第一和第二超声换能器(106，306)。Ell.根据ElO的超声流量计根据E10，其中，电路板(30 和固定构件(310)用于将第一和第二超声换能器(306)相对于彼此固定在位，并且，第一和第二超声换能器(306) 之间的距离(722)与壳体(620)的对应的第一和第二换能器接纳位置之间的距离(724)相匹配。E12.根据El-Ell中任一的超声流量计根据，其中，壳体(620，820)由金属，例如铜或不锈钢，或者由聚合体材料制成。E13. 一种包括根据E1-E12中任一的流量计的耗量计，其中，所述耗量计是下述中的一个热量表、冷量计、水表或气表。E14. 一种制造超声流量计的方法，所述方法包括-通过借助于固定构件相对于电路板安装超声换能器而形成机械独立的单元，所述单元包括超声换能器和带有电子电路的电路板，电子电路用于控制超声换能器，固定构件用于限制超声换能器和电路板之间的相对运动，以及-将机械独立的单元安装到设置用于流体的壳体上。E15.根据E14的方法，包括借助于一个或多个夹子，例如金属夹子，将超声换能器安装到电路板上。E16.根据E14或者E15的方法，包括，例如借助于表面安装焊接过程，将超声换能器焊接至电路板。E17.根据E14-E16中任一的方法，包括在将所述机械独立的单元安装到设置用于流体的壳体上之前测试所述机械独立的单元的功能的步骤。E18.根据E14-E17中任一的方法，包括借助于固定构件的相应第一和第二部分相对于电路板安装第一和第二超声换能器。虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但本发明不应被限制于此处阐述的特殊形式。相反，本发明的范围只通过附属的权利要求限定。在本部分中，所公开的实施例的某些特殊细节只用于解释目的而非限制目的，从而提供对本发明的清楚全面的理解。但本领域内的技术人员应了解，在不大大偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明也可以在不严格符合此处阐述的细节的其它实施例中实施。另外，在本文中，为了简洁和清楚目的，已知设备、电路和方法的细节描述已经被省略以避免不必要的细节和可能的混淆。权利要求中，术语“包括”不排除存在其它的元件或者步骤。另外，虽然不同的权利要求中可能包括单个特征，但这些特征可以被有利地结合，并且包含在不同的权利要求中不意味着这些特征的组合不可行和/或是不利的。另外，未指明数量的参考对象不排除多个。因此，不指明数量、“第一”、“第二”等不排除多个。参考标记被包括在权利要求中，但包含参考标记只为清楚目的并且不应解释为限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种设置用于测量流体流速的超声流量计单元，所述单元包括第一超声换能器(106，306)，以及电路板(102，302)，其上设置有用于操作所述第一超声换能器(106，306)例如压电超声换能器的电子电路(104，304)，其中，所述第一超声换能器(106，306)通过第一导电固定装置机械固定至电路板(102，302)，所述第一导电固定装置另外用于在所述第一超声换能器(106，306)的第一电端子和电子电路(104，304)之间提供电连接，例如经由与电子电路 (104,304)电连接的电路板(102，302)的表面上的导电路径。
2.根据权利要求1所述的单元，其中，所述第一固定装置包括下述中的至少一个焊料、导电胶和导电夹子。
3.根据权利要求1或2所述的单元，其中，所述第一固定装置用于将所述第一超声换能器(106，306)的第一电端子电连接至电路板(102，302)的表面上的导电路径，所述导电路径被电连接至电子电路。
4.根据前述任一权利要求所述的单元，其中，所述电路板具有一个或多个贯通开口，当所述第一超声换能器被固定到电路板上时，所述第一超声换能器部分地或整体地覆盖所述一个或多个贯通开口，例如，所述导电路径的一部分设置在电路板中的所述贯通开口的至少一个附近。
5.根据前述任一权利要求所述的单元，其中，第一导电路径被电连接至第一换能器的第一电端子，并且电路板的表面上的第二导电路径用于电连接电子电路与所述第一超声换能器的第二电端子，例如，所述第一超声换能器具有圆形形状并且具有相对于彼此中央设置的第一和第二电端子。
6.根据权利要求5所述的单元，其中，金属夹子用于将所述第二导电路径电连接至所述第一超声换能器的第二电端子，例如，金属夹子被焊接至第二导电路径并且被成形为使电连接至所述第一超声换能器的第二电端子需要施加外力。
7.根据权利要求5或6所述的单元，其中，所述第一和第二导电路径被借助于焊料或导电胶电连接至相应的第一和第二电端子。
8.根据前述任一权利要求所述的单元，其中，所述第一超声换能器具有当被固定到电路板上时面对着电路板的大体平面的表面，例如，所述第一超声换能器具有大体圆形或矩形的外部形状并且具有设置在相应相反的平面表面上的第一和第二电端子。
9.根据前述任一权利要求所述的单元，其中，所述电路板至少在所述第一超声换能器被固定于电路板上的区域中是大体平面的，例如，所述电路板在其整个延伸范围内是大体平面的。
10.根据前述任一权利要求所述的单元，其中，所述超声流量计还包括第二超声换能器，所述电子电路被进一步设置用于操作所述第二超声换能器(106，306)，所述第二超声换能器(106，306)通过第二导电固定装置机械固定至电路板(102，302)，所述第二导电固定装置另外用于在所述第二超声换能器(106，306)的至少一个电端子和电子电路(104，304) 之间提供电连接，并且，第一和第二超声换能器被机械固定至电路板的同一侧。
11.根据权利要求10所述的单元，包括围绕着电路板和第一和第二超声换能器设置的大体防水薄膜，其中，带有多个电端子的插头穿透所述薄膜而允许外部连接至电子电路，其中，所述薄膜的至少一部分是导电的并且用于电连接所述第一超声换能器的第二电端子与所述第二超声换能器的第二电端子，例如，所述薄膜的所述部分被电连接至电子电路。
12.一种包括根据权利要求1-11中任一所述的超声流量计单元的装置，其中，所述耗量计是下述之一热量表、冷量计、水表或气表。
13.一种设置用于测量流经测量管的流体流速的流量计，其中，所述流量计包括壳体G20)，其内设有测量管，以及相对于壳体(420)设置的根据权利要求1-11中任一所述的超声流量计单元。
14.一种包括根据权利要求13所述的流量计的耗量计，其中，所述耗量计是下述之一 热量表、冷量计、水表或气表。
15.一种制造超声流量计单元的方法，所述方法包括a)提供带有电子部件的电路板，所述电子部件被设置用于形成操作第一超声换能器的电子电路，b)通过第一导电固定装置将所述第一超声换能器机械固定例如借助于表面贴装技术焊接过程固定至电路板，或者将所述第一超声换能器机械固定例如借助于表面贴装技术焊接过程固定至与电子电路(104，304)电连接的电路板(102，302)的表面上的导电路径， 其中，所述第一导电固定装置另外用于在所述第一超声换能器的第一电端子和电子电路 (104,304)之间提供电连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一导电固定装置是焊料，并且所述方法包括将金属夹子焊接至与电子电路(104，304)电连接的电路板的表面上的导电路径，所述金属夹子被设置用于提供至第一超声换能器的第二电端子的电连接。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，步骤b)以及将电子电路的电子部件安装至电路板的表面上的导电路径的步骤在一个表面贴装技术过程中进行。
18.根据权利要求15至17中任一所述的方法，包括在相对于测量管或壳体安装包括电路板的单元之前电测试所述单元的功能的随后步骤，其中，所述电路板上带有机械固定和电连接至电子电路的第一超声换能器。
19.一种制造流量计的方法，所述方法包括根据权利要求15至18中任一所述制造超声流量计单元，以及相对于设置有测量管的壳体安装所述超声流量计单元。
全文摘要
一种设置用于测量流体流速的超声流量计单元，所述单元包括一个或多个超声换能器(606)和电路板(602)，电路板(602)上设有用于操作超声换能器(106，306)的电子电路。例如压电元件形式的超声换能器(606)被通过第一导电固定装置机械固定至电路板(602)，所述第一导电固定装置另外用于在换能器(606)的电端子和电子电路之间提供电连接。因此，提供了一种可以在与流量计壳体等组装之前进行测试的功能性流量测量单元(600)。优选地，一组超声换能器(106，306)被直接焊接到与电子电路电连接的电路板(602)的表面上的导电路径(631)，例如，在与将所有其它电子部件安装在电路板(602)上一起的单一SMT贴装过程中。这些导电路径(631)附近的电路板(602)的贯通开口(630，640)用于提供热弹性。焊接到电路板(602)上的金属夹子可以用于将换能器(606)的第二电端子电连接至电子电路。
文档编号G01F1/66GK102460082SQ201080024590
公开日2012年5月16日 申请日期2010年3月25日 优先权日2009年4月2日
发明者A·斯卡勒贝克, P·S·劳尔森, S·T·尼尔森 申请人:卡姆鲁普股份有限公司