一种超声波水流量传感器的制作方法

本实用新型涉及属于液体测量技术领域，更具体地，涉及一种超声波水流量传感器。

背景技术：

家用快速燃气热水器需要根据实际的水流量、水压和进出水温度对输出功率进行实时调节，因此准确的水流量数据是家用快速燃气热水器实现精确控温的前提。传统的热水器转子霍尔流量计，因叶轮加工过程一致性低，精度稳定性难以保证；同时由于叶轮、稳流器存在阻力作用，流体始动流量大，叶轮轴承机械磨损快，易被水中水垢或杂质卡住损坏，使用寿命短。

随着电子技术发展，超声波水流量具有测量精度高、对被测流体无压损等特点，在工业、计量仪表上有广泛应用，其测量原理大多使用时差法进行测量。超声波管段设计、超声波换能器的安装方式不同，所用的流量计算方法有所差异；对于斜对射式或反射式超声波流量传感器，被测流体与超声波传播路径存在夹角，流量计算复杂；为简化数学计算，业内提出反射平行式超声波流量传感器，即测量管段中流体的流向与超声波传播路径平行，但测量管段内需设置两个45度反射面，其结构工艺复杂。

目前大多数超声波流量传感器数据输出接口采用通信数据接口，其与外部微处理器建立通信，外部微处理器按通信协议格式解析数据帧获得流量数据；然而，燃气热水器控制器流量信息采集接口并非通信接口，不涉及通信协议，仅简单对外部流量脉冲进行计数；超声波流量传感器数据输出接口为通信数据接口，不能兼容现有热水器控制器脉冲接口，推广应用存在一定局限性，且超声波流量传感器没有配备调试接口，无法对其进行定期校准和软件升级。

技术实现要素：

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种超声波水流量传感器，其超声波换能器安装方便，便于维修；通过调试接口方便对其定期校准和软件升级，同时其设置有脉冲接口，能够兼容大多数现有热水器的控制器，推广性强。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种超声波水流量传感器，包括测量管段、超声波控制器、第一超声波换能器和第二超声波换能器，所述的超声波控制器包括超声波流量转换器、调试接口以及脉冲接口、电源电路，所述的第一超声波换能器和第二超声波换能器可拆卸安装于测量管段的两端，与超声波流量转换器电性连接；所述的电源电路、调试接口以及脉冲接口均与超声波流量转换器电性连接。第一超声波换能器和第二超声波换能器连接到超声波流量转换器的超声波模拟前端，超声波流量转换器驱动超声波换能器信号的发射与接收，时间差采集、数据测量等；调试接口与超声波流量转换器相连，可通过PC端上位机软件对超声波流量转换器进行软件调试、管段流量校准；超声波流量转换器通用IO口连接脉冲接口，可实现电平转换及脉冲输出；超声波控制器驱动超声波换能器进行信号发射与接收、时间差采集、数据处理，并按流量脉冲数对应关系把脉冲信号输出，因此可替换现有热水器控制器的霍尔流量传感器；在本实用新型中，第一超声波换能器设于水流方向的上游侧，为顺流超声波换能器，第二超声波换能器设于水流方向的下游侧，为逆流超声波换能器；顺流超声波换能器发射信号，逆流超声波换能器负责接收信号；反之，逆流超声波换能器发射信号，顺流超声波换能器负责接收信号；超声波流量转换器测出超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间差，再根据算法求得流量。

进一步地，所述的第一超声波换能器和第二超声波换能器同轴设置，其超声波信号传播路径与被测流体流向平行。第一超声波换能器和第二超声波换能器在测量管段两端面同轴向安装，信号直接对射，确保超声波信号传播路径与被测流体流向平行。与反射平行式超声波流量传感器对比，本实用新型的第一超声波换能器与第二超声波换能器采用信号直接对射的方式，从而测量管段的结构上省去了45°反射面，简化了结构，更利于工程实现。

进一步地，所述的测量管段上还设有温度传感器。设置温度传感器用于采集流体的温度，对流体的温度测量更加准确。

进一步地，所述的第一超声波换能器和第二超声波换能器通过压板与测量管段连接，压板通过螺栓固定于测量管段上；在第一超声波换能器和第二超声波换能器与测量管段连接处还设有密封圈。超声波换能器与测量管段端面之间放置密封圈进行密封；压板压着超声波换能器与测量管段连接；压板与测量管段通过螺栓锁紧固定；这样设置，便于超声波换能器的安装、维修。

作为优选地，所述的第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的间距为50mm~80mm；测量管段的内径为10mm~15mm。超声波流量传感器中超声波换能器距离会影响超声波信号接收强度，以及信号是否重叠的关键尺寸参数，将第一超声波换能器与第二超声波换能器间距设置为50mm~80mm，其测量效果最好。

进一步地，所述的测量管段的进水端处还设有接头，接头与测量管段连接处设有密封圈。在测量管段上设置接头，便于与其他装置连接，设置密封圈实现管道的密封性，避免漏水。

进一步地，所述的测量管段上设有用于安装超声波控制器的安装室。在测量管段上设置安装室，便于超声波控制器的安装，同时也对超声波控制器起到了防水作用，实现超声波流量传感器测量管段与控制器一体化，方便安装、维护与更换。

进一步地，所述的调试接口为SPI通信接口。超声波控制器配备的调试接口为SPI通信接口，流量测量系统可通过调试接口连接PC，运用上位机软件对测量系统进行软件调试、管段校准以及流量脉冲数调整输出，软件更改灵活、市场适应性更强。

进一步地，所述的脉冲接口能够兼容3V~5V电平。本实用新型的超声波控制器设置有脉冲接口，且此接口电路兼容3V-5V电平，更好地兼容现有热水器控制器信号电平，可与霍尔流量传感器进行一对一替代，而无需对原热水器控制器进行更改。

作为优选地，所述的测量管段呈U形结构，第一超声波换能器和第二超声波换能器设于U形结构底部的两端。超声波水流量传感器测量管段设计为类似U形结构，流体在管段腔体内流动，第一超声波换能器和第二超声波换能器设于U形结构底部的两端，信号直接对射，确保了超声波信号传播路径与被测流体流向平行。

与现有技术相比，有益效果是：

1. 本实用新型提出的超声波水流量传感器为配件形式，其信号输出为流量脉冲信号，兼容传统霍尔流量传感器，无需对热水器控制器进行软硬件改动，即可与霍尔流量传感器进行一对一替代，兼容适应性强；

2. 本实用新型提出的超声波水流量传感器配备有调试接口，方便对其进行定期的校准及软件升级，可软件设定单位流量脉冲数，满足热水器控制器不同流量脉冲数需求，市场适应性强；

3. 本实用新型提出的超声波水流量传感器管段设计结构，省去了45°反射面，简化了结构及生产工艺，便于工程实现。

附图说明

图1是本实用新型超声波流量传感器整体结构示意图。

图2是本实用新型超声波流量传感器测量系统框架示意图。

图3是本实用新型超声波水流量传感器结构三维立体图。

图4是本实用新型超声波流量传感器结构装配示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1至4所示，一种超声波水流量传感器，包括测量管段1、超声波控制器2、第一超声波换能器3和第二超声波换能器4，超声波控制器2包括超声波流量转换器21、调试接口22以及脉冲接口23、电源电路24，第一超声波换能器3和第二超声波换能器4可拆卸安装于测量管段1的两端，与超声波流量转换器21电性连接；电源电路24、调试接口22以及脉冲接口23均与超声波流量转换器21电性连接。第一超声波换能器3和第二超声波换能器4连接到超声波流量转换器21的超声波模拟前端，超声波流量转换器21驱动超声波换能器信号的发射与接收，时间差采集、数据测量等；调试接口22与超声波流量转换器21相连，可通过PC端上位机软件对超声波流量转换器21进行软件调试、管段流量校准；超声波流量转换器21通用IO口连接脉冲接口23，可实现电平转换及脉冲输出；超声波控制器2模块驱动超声波换能器进行信号发射与接收、时间差采集、数据处理，并按流量脉冲数对应关系把脉冲信号输出，因此可替换现有热水器控制器的霍尔流量传感器；在本实用新型中，第一超声波换能器3设于水流方向的上游侧，为顺流超声波换能器，第二超声波换能器4设于水流方向的下游侧，为逆流超声波换能器；顺流超声波换能器发射信号，逆流超声波换能器负责接收信号；反之，逆流超声波换能器发射信号，顺流超声波换能器负责接收信号；超声波流量转换器21测出超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间差，再根据算法求得流量。

具体地，测量管段1呈U形结构，第一超声波换能器3和第二超声波换能器4设于U形结构底部的两端。第一超声波换能器3和第二超声波换能器4同轴设置，其超声波信号传播路径与被测流体流向平行。第一超声波换能器3和第二超声波换能器4在测量管段1两端面同轴向安装，信号直接对射，确保超声波信号传播路径与被测流体流向平行。与反射平行式超声波流量传感器对比，本实用新型的第一超声波换能器3与第二超声波换能器4采用信号直接对射的方式，从而测量管段的结构上省去了45°反射面，简化了结构，更利于工程实现。

在一些实施例中，测量管段1上还设有温度传感器5。设置温度传感器5用于采集流体的温度，对流体的温度测量更加准确。

在一些实施例中，第一超声波换能器3和第二超声波换能器4通过压板6与测量管段1连接，压板6通过螺栓固定于测量管段1上；在第一超声波换能器3和第二超声波换能器4与测量管段1连接处还设有密封圈7。超声波换能器与测量管段1端面之间放置密封圈7进行密封；压板6压着超声波换能器与测量管段1连接；压板6与测量管段1通过螺栓锁紧固定；这样设置，便于超声波换能器的安装、维修。

在一些实施例中，第一超声波换能器3与第二超声波换能器4之间的间距为50mm~80mm；测量管段1的内径为10mm~15mm。超声波流量传感器中超声波换能器距离会影响超声波信号接收强度，以及信号是否重叠的关键尺寸参数，将第一超声波换能器3与第二超声波换能器4间距设置为50mm~80mm，其测量效果最好。

在一些实施例中，测量管段1的进水端处还设有接头8，接头8与测量管段1连接处设有密封圈7。在测量管段1上设置接头8，便于与其他装置连接，设置密封圈7实现管道的密封性，避免漏水。

在一些实施例中，测量管段1上设有用于安装超声波控制器2的安装室9。在测量管段1上设置安装室9，便于超声波控制器2的安装，同时也对超声波控制器2起到了防水作用，实现超声波流量传感器测量管段1与控制器一体化，方便安装、维护与更换。

在一些实施例中，调试接口22为SPI通信接口。超声波控制器2配备的调试接口22为SPI通信接口，流量测量系统可通过调试接口22连接PC，运用上位机软件对测量系统进行软件调试、管段校准以及流量脉冲数调整输出，软件更改灵活、市场适应性更强。脉冲接口23能够兼容3V~5V电平。为了更好兼容传统霍尔流量传感器，本实用新型的超声波控制器2设置有脉冲接口23，且此接口电路兼容3V-5V电平，兼容现有热水器控制器信号电平，可与霍尔流量传感器进行一对一替代，而无需对原热水器控制器进行更改。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。