一种压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置的制作方法

本发明涉及一种超声流量测量装置，尤其是涉及一种压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置。

背景技术：

超声流量测量仪表是通过观测受流体影响、能够反映流体流速的超声波进行流量测量的仪表。“时间差法”是一种常见的测量原理，当管路内的待测流体流动时，发射端换能器产生的超声波在穿过介质过程中，实际的传播速度可看作静止流体中的声速与流体流速的矢量叠加。因此对于同一路程，声波在顺流与逆流情况下传播时间是不同的，通过精准测量顺逆流的渡越时间便可以求出待测流体流速进而得到流量。

中国专利公开号cn106153132a，公开日2016年11月23日，发明创造的名称为基于lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法，该申请案公开了一种非接触式流体流量测量系统，该系统使用特殊的换能器激发管壁产生共振，在较大的管壁区域产生lamb波对管内流体流速进行测量，该测量方式对气泡杂质等具有一定抗干扰性，且安装较为方便，其不足之处是设置于管道外部且工作表面不与被测管道接触的换能器系统能量传递效率低，接收信号信噪比差。

相比侵入式或插入式超声流量测量装置，外夹式装置的声波往往会在管壁中传播较长的距离，但外夹式受管道条件影响较大，声波信号往往有较大损耗；侵入式与插入式超声流量测量装置换能器与流体直接接触，信号损耗小，但是换能器周围的流体流场状态复杂，对声波信号的干扰不可忽视，此外声束作用范围相对较小，容易受气泡、杂质颗粒等影响。本发明专利综合考虑外夹式与侵入式超声装置的优缺点，计划设计一种非接触式且声波信号损耗小的超声流量测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决以下问题：

(1)现有外夹式超声流量测量装置在测量之前需要清洁除垢、反复安装定位，测量准备工作复杂繁琐，而且信号容易受测量管道状况的影响；

(2)现有侵入式管段超声流量测量装置换能器直接与流场接触，会对流场造成一定干扰，同时对待测流体的性质有要求；

(3)现有侵入式超声流量计声波信号容易受到测量介质中气泡、杂质颗粒的影响，使得接收信号衰减。

一种压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置包括管段、第一激振源、第二激振源以及控制运算部；

所述的第一激振源包括第一凸台、第一压电振子、第一预紧密封结构、第一激振源引线；第二激振源包括第二凸台、第二压电振子、第二预紧密封结构、第二激振源引线；

所述的第一激振源与第二激振源位于管段异侧，并且第二激振源的第二压电振子位于第一激振源的第一压电振子的对侧且二者的中心线相平行；

所述的第一凸台与管段为一体结构，二者之间不存在断面或者其他介质，第一凸台设置第一截断面并带有第一安装孔；第二凸台与管段为一体结构，二者之间不存在断面或者其他介质，第二凸台设置第二截断面并带有第二安装孔；

所述的第一压电振子嵌入第一凸台的第一安装孔内，并通过耦合剂直接与第一凸台接触，第一预紧密封结构为第一压电振子提供预紧力、确保定位，同时进行密封以杜绝第一压电振子与第一激振源之外的介质接触；第一激振源引线从第一压电振子的两极引出，穿过第一预紧密封结构，与控制运算部相连；

所述的第二压电振子嵌入第二凸台的第二安装孔内，并通过耦合剂直接与第二凸台接触，第二预紧密封结构为第一压电振子提供预紧力、确保定位，同时进行密封以杜绝第二压电振子与第二激振源之外的介质接触；第二激振源引线从第二压电振子的两极引出，穿过第二预紧密封结构，与控制运算部相连；

所述的控制运算部为所述第一压电振子与所述第二压电振子提供激励电信号并对接收电信号进行处理，计算管段内流体流量。

可选的，所述的管段两端带有管螺纹，通过管螺纹连接至待测管路中。

可选的，所述的管段两端带有法兰结构，通过法兰连接至待测管路中。

可选的，所述的第一截断面的位置介于入射波与管段外壁面的交界区域与第一反射波与管壁外壁面的交界区域之间。

可选的，所述的第一预紧密封结构包括第一背盖、第一弹簧、第一顶盖、第一密封件及第一密封胶，第一顶盖通过螺纹或者紧固螺钉与第一凸台连接，通过第一弹簧压紧所述第一背盖，第一背盖压紧第一压电振子，第一密封件置于第一顶盖与第一凸台之间，第一密封胶对第一顶盖的开孔进行密封。

可选的，所述的第二预紧密封结构包括第二背盖、第二弹簧、第二顶盖、第二密封件及第二密封胶，第二顶盖通过螺纹或者紧固螺钉与第二凸台连接，通过第二弹簧压紧第二背盖，第二背盖压紧第二压电振子，第二密封件置于第二顶盖与第二凸台之间，第二密封胶对第二顶盖的开孔进行密封。

可选的，所述的第一预紧密封结构为第一灌封胶，第二预紧密封结构为第二灌封胶。

本发明的有益效果是：所述压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置中的压电振子通过耦合剂直接与管壁材料接触，压电振子前端无匹配层，减小能量耗散，提高能量传递效率；激振源的结构简单，加工制作成本低，可靠性较好；激振源与流场不接触，不会干扰流场；激振源带动管壁振动，形成较大发射面，具有一定抗气泡、固体杂质干扰的能力。

附图说明

图1为具体实施方式一的剖面示意图；

图2为具体实施方式一中的第一截断面的位置示意图；

图3为具体实施方式二的剖面示意图；

图4为具体实施方式三的剖面示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1介绍本实施方式，一种压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置，包括管段1、第一激振源2、第二激振源3以及控制运算部。

管段1包括第一管段101、第二管段102、第三管段103。其中，第一管段101与第三管段103带有管螺纹，通过管螺纹连入待测管路中；第二管段102为流体测量管段。

第一激振源2包括第一凸台201、第一压电振子202、第一有机玻璃背盖203、第一密封件204、第一弹簧205、第一螺纹顶盖206、第一封胶口207以及第一激振源引线208；所述第二激振源3包括第二凸台301、第二压电振子302、第二有机玻璃背盖303、第二密封件304、第二弹簧305、第二螺纹顶盖306、第二封胶口307以及第二激振源引线308。其中，第一凸台201与管段1为一体结构，二者之间不存在断面或者其他介质；第二凸台301与管段1也为一体结构，二者之间不存在断面或者其他介质；第一凸台201、第二凸台301与管段1材料为304不锈钢。

第一激振源2与第二激振源3结构相同，以第一激振源2为例进行特征说明。第一压电振子202背部嵌入第一有机玻璃背盖203中，前端凸出于第一有机玻璃背盖203表面，第一压电振子202与第一有机玻璃背盖203形成的组合体嵌入到第一凸台201的第一安装孔内，并且第一压电振子202前端通过耦合剂直接与第一凸台201相接触，确保第一压电振子202的初步安装定位；第一螺纹顶盖206通过螺纹与第一凸台201连接，并与第一弹簧205从背部压紧第一有机玻璃背盖203进而为第一压电振子202提供预紧力；第一激振源引线208从第一压电振子202的两极引出，依次穿过第一有机玻璃背盖203上的通孔、第一弹簧205、第一螺纹顶盖206上的第一封胶口207，最终连接至控制运算部；第一螺纹顶盖206与第一凸台201之间装有第一密封件204保证连接螺纹处的密封；第一激振源2的相关部件安装完毕之后从第一封胶口207灌入环氧胶保证第一激振源引线208处的密封。

结合图1与图2说明压电振子内嵌式宽波束超声液体流量测量装置中的宽波束工作机制。控制运算部产生的激发电压信号通过第一激振源引线208作用于第一压电振子202，第一压电振子202受迫振动，经由耦合剂带动第一凸台201振动，振动以固体波的形式传播；入射波501传播到内管壁104处发生反射与折射，产生的第一折射波束401穿过流体传向第二压电振子302处，产生的第一反射波502继续沿管壁方向传播，在外管壁105处发生反射与折射，形成的折射波透射到空气中，形成的反射波继续向前传播，不断发生反射与折射。图1中第一折射波束401为射入流体中的第一束声波，之后的第二折射波束402以及第三折射波束403分别为进入流体中的第二束声波与第三束声波，因此声波的覆盖范围广泛，即使流体中含有一定量的气泡、固体颗粒，部分声波信号也能顺利被接收压电振子接收，从而提高抗干扰性。

为了保证第二压电振子302接收到的声波信号质量，需要使第一压电振子202产生的大部分声波经过第二管段102的管壁反射后进入管段内的流体区域。如图2所示，将第一截断面210设置在介于入射波501与外管壁105的交界区域与第一反射波502与外管壁105的交界区域之间，即图中虚线区间内。这样，第一反射波502可以完全被外管壁105反射，同时避免第一截断面210对入射波501产生干扰。

流体流速的计算采用“时差法”原理，根据测量的顺逆流时间差计算流速，根据以下式⑴求流速：

得：

其中d为管道内径，δt为顺逆流时间差，v为待测流体流速，c为流体中的声速，θ为声束在流体中的折射角，则总流量表达式为式⑵：

其中k为修正系数，a为管道截面积，q为总流量。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的区别在于管段1包括第一法兰106、第二法兰107以及第二管段102，管段1通过第一法兰106与第二法兰107连接至测量管路中。

具体实施方式三：结合图4说明本本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的区别在于第一激振源2包括第一凸台201、第一压电振子202、第一激振源引线208以及第一灌封胶209，第二激振源3包括第二凸台301、第二压电振子302、第二激振源引线308以及第二灌封胶309；为了保证灌封胶提供一定的预紧力，灌封胶固化时要置于压力容腔中，保证恒温恒压固化。