漏波换能器及漏波流量传感系统的制作方法

1.本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及一种漏波换能器及漏波流量传感系统。


背景技术：

2.超声波流量传感系统利用压电材料的压电效应，采用适当的发射电路把交变电能加到发射器的压电元件上。这些压电元件通常为长方形或者圆形的薄片，其长、宽或者直径远大于其厚度。在外加交变电能的激发下，这些压电元件通常在厚度方向发生共振，向外发射一定频率的超声波信号，其共振频率由压电元件材料特性和几何尺寸(主要是厚度)决定，一经制成无法改变。超声波信号从某个方向射入流体管路中传播，然后由接收器接收，把超声波信号转变为电信号，以便检测。根据信号检测的原理，目前超声波流量传感系统主要采用时差法和多普勒法两种类型。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中反射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流速测量。时差法是通过测量超声波信号顺流和逆流传播的时间之差来反映流体的流速，超声波传播方向可以与管路有一定的角度也可以完全同轴。
3.在污水处理、化工生产、石油运输、钻井平台泥浆灌注等流体输送过程中，管路中的流体类型和物理性质如密度、粘稠度、包含的固体颗粒或者气泡数量经常发生变化，这些变化会影响超声波信号在传播过程中的吸收和散射程度，进而改变接收的超声波信号强度、频率成分和信噪比。比如当流体的粘稠度增加时，超声波信号被流体吸收的程度会增加，导致信号幅度在传播过程中逐渐减弱。而当流体中的固体颗粒或者气泡数量加大时，会增大超声波信号的散射程度，使超声波信号减弱或变形。
4.根据声学原理，当流体因为粘稠度或者杂质的增加对超声波信号的衰减加大时，低频率的超声波信号传播时衰减相对较慢信号幅度更稳定，而高频率的超声波信号衰减相对较快幅值下降很大。当流体本身比较干净且粘稠度小时，高频率和低频率的超声波信号在传播时信号幅值都比较稳定，但高频率的超声波信号能给液体的流速测量带来更高的精度和分辨率。市场上现有的超声波流量传感系统的共振频率无法改变，其工作频率的选择通常是流体的类型和物理性质不变的情况下，系统测量稳定性和分辨率相互妥协的一个结果。如果流体管路中的流体类型和物理性质经常发生变化，超声波流量传感系统发射单一频率的超声波信号，在传播时衰减程度会有很大差异，将导致接收的信号强度和波形不稳定，导致系统测量稳定性和精度变差，严重时甚至会导致超声波流量传感系统的失效。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种漏波换能器及漏波流量传感系统，通过改变漏波信号的频率，减轻其在传播过程中的衰减程度，保持信号强度稳定，提高传感系统的测量稳定性和精度。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种漏波换能器，设置于一流体管路的内部或外部以用于发送或接收漏波信号，包括基底和设置于所述基底上的电极阵列，所述基底的
表面波的传播速度大于所述流体管路内的流体的体声速，通过改变所述电极阵列中每个电极的正负极性以改变所述漏波信号的频率。
7.可选的，每个所述电极均呈条状，且相邻所述电极等间距排列于所述基底的一表面上。
8.可选的，每个所述电极均呈环状，且相邻所述电极等间距环绕于所述基底的四周。
9.可选的，所述基底的材质包括压电晶体、压电陶瓷或压电聚合物中的一种；和/或，所述电极的材质包括金、银、铜、铝、镍或钨中的一种或多种。
10.本发明还提供了一种漏波流量传感系统，包括：
11.两个如上所述的漏波换能器，两个所述漏波换能器中的任一者作为在激励电信号的激励下发送漏波信号的发送端，另一者作为接收所述漏波信号的接收端；
12.切换模块，与每个所述漏波换能器电性连接，用于改变所述漏波信号的频率以及控制两个所述漏波换能器轮流作为所述发送端和所述接收端；
13.控制模块，与所述切换模块电性连接，用于通过所述切换模块向所述发射端发送所述激励电信号并从所述接收端接收所述漏波信号，且根据相邻两次接收到的漏波信号的时间差或相位差得到流体管路内的流体的流速，以及根据相邻两次接收到的漏波信号的信号特征判断是否改变所述漏波信号的频率。
14.可选的，所述切换模块包括第一切换单元和第二切换单元，所述控制模块包括信号发射单元和信号接收单元，所述第一切换单元与所述信号发射单元和所述信号接收单元电性连接，用于通过所述第一切换单元控制两个所述漏波换能器轮流分别与所述信号发射单元和所述信号接收单元电性连接，所述第二切换单元与所述信号发射单元和所述信号接收单元电性连接，用于通过所述第二切换单元改变两个所述漏波换能器的电极阵列中每个电极的正负极性，所述电极的极性为正极时，所述电极与所述信号发射单元或所述信号接收单元电性连接；所述电极的极性为负极时，所述电极接地。
15.可选的，当判定需要改变所述漏波信号的频率时，根据所述电极阵列中相邻两个正电极之间的中心距离、所述基底的表面波的传播速度和所述流体管路内的流体的体声速得到一调整频率；
16.将所述漏波信号的频率改变为所述调整频率。
17.可选的，两个所述漏波换能器均设置于所述流体管路的内侧或外侧，两个所述漏波换能器在所述流体管路的轴向上的位置不同。
18.可选的，两个所述漏波换能器均设置于所述流体管路的内侧，所述流体管路上开设有通孔，所述漏波换能器的引线通过所述通孔引出并与所述切换模块电性连接。
19.可选的，两个所述漏波换能器外包括有第一密封层；和/或，所述引线与所述通孔的内壁之间设置有第二密封层。
20.在本发明提供的漏波换能器及漏波流量传感系统中，漏波换能器包括基底和设置于基底上的电极阵列，基底的表面波的传播速度大于流体管路内的流体的体声速，通过改变电极阵列中每个电极的正负极性以改变漏波信号的频率；系统中的两个漏波换能器中的任一者作为在激励电信号的激励下发送漏波信号的发送端，另一者作为接收漏波信号的接收端；切换模块与每个漏波换能器电性连接，用于改变漏波信号的频率以及控制两个漏波换能器轮流作为发送端和接收端；控制模块与切换模块电性连接，用于通过切换模块向发
射端发送激励电信号并从接收端接收漏波信号，且根据相邻两次接收到的漏波信号的时间差或相位差得到流体管路内的流体的流速，以及根据相邻两次接收到的漏波信号的信号特征判断是否改变漏波信号的频率。当流体管路内的流体的类型和物理性质发生改变时，通过判断结果选择切换电极阵列中每个电极的正负极性，能够改变漏波信号的频率，减轻漏波信号在传播过程中的衰减程度，保持信号强度稳定，提高传感系统的测量稳定性和精度。
附图说明
21.图1～图4为本发明实施例一提供的漏波换能器的结构示意图；
22.图5和图6为本发明实施例一提供的漏波流量传感系统的结构示意图；
23.图7为本发明实施例一提供的漏波流量传感系统的测量流程图；
24.图8为本发明实施例二提供的漏波换能器的结构示意图；
25.图9和图10为本发明实施例三提供的漏波流量传感系统的结构示意图；
26.其中，附图标记为：
27.10、100-漏波换能器；11、110-基底；12、120-电极；20、200-流体管路；30-切换模块；31-第一切换单元；32-第二切换单元；40-控制模块；41-信号发射单元；42-信号接收单元；43-计算单元。
具体实施方式
28.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
29.实施例一
30.图1～图4为本实施例提供的漏波换能器的结构示意图；图5和图6为本实施例提供的漏波流量传感系统的结构示意图；图7为本实施例提供的漏波流量传感系统的测量流程图。
31.请参考图1，本实施例提供了一种漏波换能器，漏波换能器10设置于一流体管路的内部或外部以用于发送或接收漏波信号。漏波换能器10包括基底11和设置于基底11上的电极阵列，其中电极阵列包括若干个电极12，本实施例中对于电极12的数量不做限制，电极阵列中的每个电极12均呈条状，且每相邻两个电极12等间距排列。在本实施例中，基底11的材质包括压电晶体、压电陶瓷或压电聚合物中的一种，如石英、钛酸钡bt、锆钛酸铅pzt、pvdf，但不限于上述材质；和/或，电极阵列的材质包括金、银、铜、铝、镍或钨中的一种或多种，但不限于上述材质；可通过溅射、蒸镀、刻蚀工艺在基底11上形成电极阵列，但不限于上述工艺。在本实施例中，漏波换能器10的尺寸较小且呈扁平状，以使漏波换能器10位于流体管路的内部时不会阻碍流体的流动或造成流场的紊乱。
32.请参考图2，本实施例中，要求基底11的表面波的传播速度大于流体管路内的流体的体声速，如此当表面波在基底11中传播时，表面波的一部分能量会转化为漏波信号，漏波信号与漏波信号发射端的表面呈一个角度θ向流体中发射(图2中箭头所示为漏波信号的发射方向)，并且通过改变电极阵列中每个电极12的正负极性以改变漏波信号的频率。在本实施例中，基底11的表面波的传播速度由基底11的物理性质决定，如基底11的密度、弹性模量
等。
33.请参考图5，本实施例还提供了一种漏波流量传感系统，用于测量流体管路20内的流体的流速。漏波流量传感系统包括两个如上所述的漏波换能器10、切换模块30和控制模块40，其中两个漏波换能器10中的任一者作为在激励电信号的激励下发送漏波信号的发送端，另一者作为接收漏波信号的接收端；切换模块30与每个漏波换能器10电性连接，用于改变漏波信号的频率以及控制两个漏波换能器10轮流作为发送端和接收端；控制模块40与切换模块30电性连接，用于通过切换模块30向发射端发送激励电信号并从接收端接收漏波信号，且根据相邻两次接收到的漏波信号的时间差或相位差得到流体管路20内的流体的流速，根据相邻两次接收到的漏波信号的信号特征判断是否改变漏波信号的频率。
34.在本实施例中，两个漏波换能器10在流体管路20的轴向上的位置不同，即两个漏波换能器10在流体管路20的轴向上具有间距，以使一个漏波换能器10发射的漏波信号能够跟随流体移动一段距离后被另一个漏波换能器10接收。以及，两个漏波换能器10均设置于流体管路20的内侧，当两个漏波换能器10均设置于流体管路20的内侧时，流体管路20上开设有通孔(图中未示出)，漏波换能器10的引线通过通孔引出并与切换模块30电性连接；并且当漏波换能器10设置于流体管路20的内侧时，两个漏波换能器10外设置有第一密封层(图中未示出)，和/或，引线与通孔的内壁之间设置有第二密封层(图中未示出)，其中第一密封层和第二密封层可为塑料、环氧树脂或者硅胶材料，但不限于上述材料，第一密封层和第二密封层使得漏波换能器10不与空气或流体直接接触，从而避免腐蚀、氧化、短路和机械磨损。
35.请参考图6，切换模块包括第一切换单元31和第二切换单元32，控制模块包括信号发射单元41和信号接收单元42，第一切换单元31与信号发射单元41和信号接收单元42电性连接，且第一切换单元31与两个漏波换能器10电性连接，通过第一切换单元31控制两个漏波换能器10轮流分别与信号发射单元41和信号接收单元42电性连接；在图6中，第一切换单元31用两个单刀双掷开关简单示意，两个单刀双掷开关分别连接信号发射单元41与一个漏波换能器10以及信号接收单元42与另一个漏波换能器10，通过切换两个单刀双掷开关可以使两个漏波换能器10轮流分别与信号发射单元41和信号接收单元42电性连接，但不限于第一切换单元31为两个单刀双掷开关，第一切换单元31也可为mos管构成的切换电路等。
36.第二切换单元32与信号发射单元41和信号接收单元42电性连接，且第二切换单元32与两个漏波换能器10电性连接，具体是第二切换单元32与漏波换能器10的电极阵列中的每个电极12电性连接，通过第二切换单元32改变两个漏波换能器10的电极阵列中每个电极12的正负极性。图6中的t处为一个漏波换能器10与第二切换单元32的部分连接示意，在t处第二切换单元32中只简单示意了一个单刀双掷开关，此单刀双掷开关用于连接一个漏波换能器10的电极阵列中一个电极12与信号发射单元41、信号接收单元42或地，实际上在第二切换单元32中包括了若干个单刀双掷开关，两个漏波换能器10中的每个电极12均需要与一个单刀双掷开关连接，以使每个电极12与信号发射单元41、信号接收单元42或地电性连接，但不限于第二切换单元32中仅包括单刀双掷开关，也可为mos管构成的多通道切换电路。在本实施例中，电极12的极性为正极时，根据漏波换能器10作为发射端或接收端选择正极与信号发射单元41或信号接收单元42电性连接，当漏波换能器10作为发射端，正极与信号发射单元41电性连接，当漏波换能器10作为接收端，正极与信号接收单元42电性连接；电极12
的极性为负极时，负极接地。在t处第二切换单元32中“+”表示端口对应的电极12的极性为正极，
“‑”
表示端口对应的电极12的极性为负极，在图6中未直接示意将第二切换单元32与信号发射单元41和信号接收单元42电性连接，可根据“+”或
“‑”
得知连接关系。
37.在本实施例中，控制模块还包括计算单元43，计算单元43根据信号接收单元42相邻两次接收到的漏波信号的时间差或相位差得到流体的流速，以及根据相邻两次接收到的漏波信号的信号特征判断是否改变漏波信号的频率。
38.在本实施例中，开始给漏波流量传感系统选定一个默认频率，发射端发射默认频率的漏波信号，比如默认频率为最高共振频率，并实时监控接收的漏波信号的信号特征是否满足预设要求。例如接收的漏波信号的幅值是否大于预设阈值，或者幅值的波动范围超过预设范围，则可以判定流体的类型或者物理性质相对于默认的流体发生了改变，使得漏波信号的衰减能力加大。此时第二切换单元32改变电极阵列中每个电极12的正负极性，实现将发射端发射的漏波信号的频率切换到一个较低的频率，并再次监控接收的漏波信号的信号特征是否满足预设要求，如果满足，则保持该频率，否则继续切换至更低频率。
39.当第一个漏波换能器10用作发射端时，所有分配为正极的电极12与信号发射单元41电性连接，信号发射单元41施加连续或者脉冲式的激励电信号激发发射端，而所有分配为负极的电极12接地，发射端产生漏波信号向接收端方向发射。与此同时，第二个漏波换能器10用作接收端，其所有分配为正极的电极12与信号接收单元42电性连接，而所有分配为负极的电极12接地，所有分配为正极的电极12把接收到的漏波信号转化为电信号后，被信号接收单元42的adc采样电路记录并转化为数字信号，也可以被信号接收单元42的模拟电路记录，并通过计算单元43计算流体的流速。在下一个时段，通过第一切换单元31使两个漏波换能器10交换功能，第一个漏波换能器10用作接收端，第二个漏波换能器10用作漏波信号发射端，漏波信号则向相反的方向发射。
40.请继续参考图2，当一个漏波换能器10作为发射端时，通过第二切换单元使发射端的电极阵列中相邻的电极12的正负极性相反，此时负极接地，正极与信号发射单元电性连接，信号发射单元产生连续或脉冲式的激励电信号，以激励发射端产生机械振动，从而在发射端的基底11中形成表面波进行传播。重要的是，要求基底11的表面波的传播速度vs大于流体的体声速vb，如此当表面波在基底11中传播时，表面波的一部分能量会转化为漏波信号，漏波信号与漏波信号发射端的表面呈一个角度θ向流体中发射。在本实施例中，角度θ的计算公式如下：
[0041][0042]
例如当基底11的材质为pzt材料，则对应的基底11的表面波的传播速度vs约为2366m/s，若流体为水，则水在室温下体声速vb约为1485m/s，满足基底11的表面波的传播速度vs大于流体的体声速vb，根据计算公式得到角度θ为51.1
°
。
[0043]
当发射端的电极阵列中相邻两个电极12之间的中心距离为d，相邻两个正电极12之间的中心距离为d1，d1＝2d，发射端发射的漏波信号的波长λ1的计算公式如下：
[0044]
λ1＝d1sinθ
[0045]
例如当d＝0.48mm，d1＝0.96mm，θ＝51.1
°
时，即发射端发射的漏波信号的波长λ1
为0.75mm，对应的漏波信号的频率f1的计算公式如下：
[0046][0047]
根据上面漏波信号发射端发射的漏波信号的波长λ1为0.75mm，可知对应的漏波信号的频率f1为2mhz，f1为漏波流量传感系统的最高共振频率，即当发射端的电极阵列中相邻的电极的正负极性相反时，发射端发射的漏波信号的频率为漏波流量传感系统的最高共振频率。
[0048]
请参考图3，对于同一个发射端，可将电极阵列中每两个相邻的电极12合并为一组作为一个等效电极(图3中虚框为一个等效电极)，再通过第二切换单元给每个等效电极交替地分配正极和负极。当上述条件不变，基底11的材质仍为pzt材料，对应的基底11的表面波的传播速度vs约为2366m/s，流体仍为水，水在室温下体声速vb约为1485m/s，θ＝51.1
°
，d＝0.48mm，此时相邻两个等效正电极之间的中心距离d2＝1.92mm，发射端发射的漏波信号的波长λ2为1.5mm，可知对应的漏波信号的频率f2变为f2＝1mhz。
[0049]
请参考图4，对于同一个发射端，可将电极阵列中每三个相邻的电极12合并为一组作为一个等效电极(图4中虚框为一个等效电极)，再通过第二切换单元给每个等效电极交替地分配正极和负极。当上述条件不变，基底11的材质仍为pzt材料，对应的基底11的表面波的传播速度vs约为2366m/s，流体仍为水，水在室温下体声速vb约为1485m/s，θ＝51.1
°
，d＝0.48mm，此时相邻两个等效正电极之间的中心距离d3＝2.88mm，发射端发射的漏波信号的波长λ3为2.25mm，可知对应的漏波信号的频率f3变为f3＝0.67mhz。
[0050]
以此类推，当不断增加相邻两个等效正电极之间的中心距离，能够得到更低频率的漏波信号，如电极阵列中电极的数量为n，最终可以得到个不同频率的漏波信号，由此实现变频的漏波流量传感系统。漏波流量传感系统的最高共振频率由电极阵列中相邻两个电极之间的中心距离决定，当通过第二切换单元按照上述的方法改变电极阵列中每个电极的正负极性时，发射端发射的漏波信号的频率被改变。在本实施例中，当发射端的漏波信号的频率切换时，信号发射单元产生相同频率的连续或者脉冲式的激励电信号来激发发射端产生较强的漏波信号。
[0051]
此时另一个漏波换能器作为接收端，当发射端发射的漏波信号的频率选定时，接收端的接收频率优选设置为与发射端相同的频率，即发射端和接收端中相邻两个等效正电极之间的中心距离相同，如此可以增加接收信号的强度，同样通过第二切换单元按照上面的方法改变电极阵列中每个电极的正负极性时，接收端的接收频率被改变。
[0052]
请参考图7，开始漏波流量传感系统启动自检，漏波流量传感系统选定最高共振频率为当前工作频率，在流体顺流和逆流方向获取接收的漏波信号后，计算流体的流速，同时判断接收的漏波信号的信号特征是否满足预设要求，信号特征比如幅值、频谱和噪声等，如果满足，则继续使用当前工作频率，在流体顺流和逆流方向获取接收的漏波信号，计算流体的流速和判断信号特征；如果不满足，则判定需要改变漏波信号的频率，根据电极阵列中相邻两个等效正电极之间的中心距离、基底的表面波的传播速度和流体管路内的流体的体声
速得到一调整频率，将漏波信号的频率改变为调整频率，继续在流体顺流和逆流方向获取接收的漏波信号后，计算流速和判断信号特征，直至判断接收的漏波信号的信号特征满足预设要求，此时的工作频率为最佳共振频率，使流速测量结果更加稳定和准确。在本实施例中，在改变漏波信号的频率后，可以设定周期性返回检查最高共振频率下的信号特征是否满足预设要求。
[0053]
实施例二
[0054]
图8为本实施例提供的漏波换能器的结构示意图。请参考图8，本实施例与实施例一的区别在于，电极阵列中的每个电极120均呈环状，且相邻电极120等间距环绕于基底110的四周，方便把漏波换能器100与带有相应焊盘的电路板直接焊接固定于流体管路的内侧或外侧。
[0055]
实施例三
[0056]
图9和图10为本实施例提供的变频漏波流量传感系统的结构示意图。请参考图9和图10，本实施例与实施例一的区别在于，两个漏波换能器100均设置于流体管路200的外侧，且分别设置于流体管路200的两侧或均设置于流体管路200的同一侧，两个漏波换能器100在流体管路200的轴向上的位置不同。当两个漏波换能器100分别设置于流体管路200的两侧，其中一个漏波换能器100发射的漏波信号穿过流体管路200后被另一漏波换能器100接收；当两个漏波换能器100均设置于流体管路200的同一侧时，其中一个漏波换能器100发射的漏波信号经流体管路200的底部反射后，被另一个漏波换能器100接收，经过多次反射后信号强度会变弱，但测量精度未必变差，因为声波传播时间变长使得顺流逆流的时差更大，更易于分辨。
[0057]
综上，在本发明提供的漏波换能器及漏波流量传感系统中，漏波换能器包括基底和设置于基底上的电极阵列，基底的表面波的传播速度大于流体管路内的流体的体声速，通过改变电极阵列中每个电极的正负极性以改变漏波信号的频率；系统中的两个漏波换能器中的任一者作为在激励电信号的激励下发送漏波信号的发送端，另一者作为接收漏波信号的接收端；切换模块与每个漏波换能器电性连接，用于改变漏波信号的频率以及控制两个漏波换能器轮流作为发送端和接收端；控制模块与切换模块电性连接，用于通过切换模块向发射端发送激励电信号并从接收端接收漏波信号，且根据相邻两次接收到的漏波信号的时间差或相位差得到流体管路内的流体的流速，以及根据相邻两次接收到的漏波信号的信号特征判断是否改变漏波信号的频率。当流体管路内的流体的类型和物理性质发生改变时，通过判断结果选择切换电极阵列中每个电极的正负极性，能够改变漏波信号的频率，减轻漏波信号在传播过程中的衰减程度，保持信号强度稳定，提高传感系统的测量稳定性和精度。
[0058]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。