一种超声波流量计的制作方法

1.本技术涉及到流量计领域，具体而言，涉及一种超声波流量计。


背景技术：

2.超声波流量计工作原理:超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。在超声波流量计中一般采用如下方法来计算计算流量。
3.时差法：测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度。采用两个声波发送器(sa和sb)和两个声波接收器(ra和rb)。同一声源的两组声波在sa与ra之间和sb与rb之间分别传送。
4.相位差法：测量顺逆传播时由于时差引起的相位差计算速度。发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下游偏移一段距离。偏移距离与流速成正比。
5.频差法：测量顺逆传播时的声环频率差。当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。
6.对于精度要求较高的超声波流量计，其内部布局会影响测量结果，对于内部的布局在现有技术中并没有公开很好的解决方案。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供了一种超声波流量计，以至少解决现有技术中没有公开精度要求较高的超声波流量计内部结构的问题。
8.根据本技术的一个方面，提供了一种超声波流量计，包括：壳体，所述壳体空间分为两个部分；阀门组件，用于对液体流入所述超声波流量计进行控制；流量测量组件，用于通过超声波对流经所述流量测量组件的液体流速进行测量，其中，所述阀门组件与所述流量组件连接，所述阀门组件和所述流量组件位于所述两个部分中的第一部分；电路板，用于对阀门组件以及流量测量组件进行控制，其中，所述电路板位于所述两个部分中的第二部分，其中，所述电路板覆盖所述阀门组件和所述流量测量组件。
9.进一步地，还包括：多个安装柱，所述安装柱的一端固定在所述壳体上，所述安装柱位于所述第一部分中，所述安装柱的另一端用于固定所述电路板，所述电路板与所述壳体的一侧构成所述第一部分，所述电路板所在的部分为所述第二部分。
10.进一步地，所述阀门组件设置在所述第一部分中的一侧，所述流量测量组件设置在所述第一部分中的另一侧。
11.进一步地，还包括：进水管和出水管，其中，所述进水管与所述阀门组件连接，所述出水管与所述流量测量组件连接。
12.进一步地，所述阀门组件包括电机和阀门，其中，所述电机用于控制所述阀门的运
行。
13.进一步地，所述流量测量组件包括：第一组件和第二组件，其中，所述第一组件和第二组件为结构相同的组件，所述第一组件和所述第二组件的液体通道密封连接构成包括液体入口和液体出口的所述流量测量组件的液体通道；所述组件包括：液体通道，用于流过液体，其中，所述第一组件和所述第二组件的液体通道密封连接构成包括液体入口和液体出口的所述流量测量组件的液体通道；超声波片，用于产生或接收超声波；管子主体，用于放置所述超声波片；固定件，用于将所述超声波片固定在所述管子主体中；中间连接件，位于所述固定件和上盖之间；上盖，与所述管子主体可拆卸连接，与所述管子主体构成预定空间，并将所述超声波片、所述固定件和所述中间连接件固定在所述预定空间中。
14.进一步地，所述超声波片产生的超声波的传播方向与所述流量测量组件内的液体通道中的液体流向相同。
15.进一步地，所述固定件的侧面设置有凹槽，所述管子主体上设置有与所述凹槽形状相适配的凸起，其中，所述凹槽和所述凸起配合固定所述固定件的位置。
16.进一步地，所述超声波片为陶瓷压电元件。
17.进一步地，所述液体通道包括第一部分通道和第二部分通道，其中，所述第一部分通道和所述第二部分通道之间垂直。
18.在本技术实施例中，采用了壳体，所述壳体空间分为两个部分；阀门组件，用于对液体流入所述超声波流量计进行控制；流量测量组件，用于通过超声波对流经所述流量测量组件的液体流速进行测量，其中，所述阀门组件与所述流量组件连接，所述阀门组件和所述流量组件位于所述两个部分中的第一部分；电路板，用于对阀门组件以及流量测量组件进行控制，其中，所述电路板位于所述两个部分中的第二部分，其中，所述电路板覆盖所述阀门组件和所述流量测量组件。通过本技术解决了现有技术中没有公开精度要求较高的超声波流量计内部结构的问题，从而为提高测量精度提供了结构上的保障。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
20.图1是根据本技术实施例的超声波流量计的组件正视图。
21.图2是根据本技术实施例的超声波流量计的组件的透视图。
22.图3是根据本技术实施例的超声波流量计的流量测量组件的示意图。
23.图4为根据本技术实施例的化学液超声流量计的结构图。
24.图5为根据本技术实施例的化学液超声流量计的信号连接关系图。
25.图6为根据本技术实施例的amp放大电路的电路图。
26.图7为根据本技术实施例的mux模拟开关电路的电路图。
27.图8是根据本技术实施例的超声波流量计的内部布局图。
28.图9是根据本技术实施例的超声波流量计安装电路板的示意图。
29.图10是根据本技术实施例的超声波流量计的外观结构示意图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
31.下面首先对本实施例的超声波流量计的各个部分进行说明。在本实施例中提供了一种用于超声波流量计的组件，包括：液体通道，用于流过液体，其中，所述第一组件和所述第二组件的液体通道密封连接构成包括液体入口和液体出口的所述流量测量组件的液体通道；超声波片，用于产生或接收超声波；管子主体，用于放置所述超声波片；固定件，用于将所述超声波片固定在所述管子主体中；中间连接件，位于所述固定件和上盖之间；上盖，与所述管子主体可拆卸连接(例如，所述上盖通过螺纹与所述管子主体可拆卸连接)，与所述管子主体构成预定空间，并将所述超声波片、所述固定件和所述中间连接件固定在所述预定空间中。
32.为了方便进行线与超声波片的连接，所述管子主体上设置有焊线接口，所述焊线接口用于使焊线穿过所述管子主体，所述焊线为焊接在所述超声波片上的导线。可选地，所述中间连接件和所述固定件的对称位置开设中槽，所述槽用于为线的焊接预留空间。为了更好的固定焊线，可选地，上述组件还可以包括：束线螺母，用于将所述焊线固定在所述焊线接口上。
33.为了能够更好的进行固定，所述固定件的侧面设置有凹槽，所述管子主体上设置有与所述凹槽形状相适配的凸起，其中，所述凹槽和所述凸起配合固定所述固定件的位置。
34.可选地，所述超声波片为陶瓷压电元件。可选地，所述液体通道包括第一部分通道和第二部分通道，其中，所述第一部分通道和所述第二部分通道之间垂直。
35.在本实施例中还提供了一种用于超声波流量计的流量测量组件，包括：第一组件和第二组件，其中，所述第一组件和第二组件的结构相同，所述第一组件和所述第二组件均为上述的组件，其中，所述第一组件和所述第二组件的液体通道密封连接构成包括液体入口和液体出口的所述流量测量组件的液体通道。
36.为了测量更加准确，所述超声波片产生的超声波的传播方向与所述流量测量组件内的液体通道中的液体流向相同。
37.下面结合附图对一个可选实施例进行说明。在本实施例中提供了一种超声波流量计的组件，图1是根据本技术实施例的超声波流量计的组件正视图，图2是根据本技术实施例的超声波流量计的组件的透视图，如图1所示，通过螺纹上盖01(上盖的一个实施方式)、中间连接件02、陶瓷片固定件03将陶瓷压电元件04(超声波片的一个实施方式)稳定的固定在陶瓷固定件03(固定件的一个实施方式)与管子主体06之间。在中间连接件02和陶瓷片固定件03上的对称位置上开出方形槽，为组装时对线的焊接留出足够的空间。在陶瓷固定件03的侧面有小的方形凹槽用以配合管子主体06上的内部凸点，使在陶瓷压电元件04被螺纹压紧的过程中，陶瓷压电元件04不会随整体转动，避免焊线的断开。在焊接线结束后，将束线螺母05拧紧，使外界的线头晃动不会对内部造成干扰。
38.图3是根据本技术实施例的超声波流量计的流量测量组件的示意图，如图3所示，将两个相同的组件通过热接的形式固定在一起，形成可供被测量液体流动的空腔。通过两端发射和接收超声波的时间差计算出液体的流速。
39.上述实施例可以应用到多种超声波流量计中，在本实施例中提供了一种比较优的
超声波流量计，下面对本实施例中的超声波流量计进行说明。
40.如图4所示，本实施例的化学液超声流量计，包括：mcu模块、飞行时间计算模块、超声模拟前端模块、mux模拟开关电路和pzt压电片(包括发送头和接收头)，其中，mcu模块、飞行时间计算模块、超声模拟前端模块、mux模拟开关电路和pzt压电片依次连接。
41.具体的，pzt压电片包括：第一pzt压电片(发送头)和第二pzt压电片(接收头)，分别与mux模拟开关电路双向连接，第一pzt压电片和第二pzt压电片成对工作，通过耦合剂紧贴在去离子pfa材料管道两侧的端面上，正对安装。
42.在本实施例中，第一pzt压电片和第二pzt压电片采用压电陶瓷，为流量测量定制参数，谐振频率1mhz。
43.下面对超声探头安装方式进行说明。管道内有流动的被测液体，第一pzt压电片a和第二pzt压电片b成对工作，通过耦合剂紧贴在管道两侧的端面上，正对安装。当第一pzt压电片为发送第二pzt压电片b为接收时，超声波传播速度为声速加流速；当a为接收b为发送时，超声波传播速度为声速减流速。将换向前后的结果相减，获得结果正比于流速。整个测试过程中，被测液体不接触除pfa管材意外的任何组件，保证了化学液无损检测的可靠性和有效性。管道为去离子pfa材料管路。
44.如图5所示，mcu模块通过spi总线与飞行时间计算模块和超声模拟前端模块分别连接，通过gpio接口与mux模块开关电路连接，通过uart串口与外部的第三方采集控制系统连接以通过uart串口输出数据；mcu模块通过两个gpio接口控制模拟开关mux切换信号到第一pzt压电片发送超声波，第二pzt压电片接收超声波，并控制超声波模拟前端模块进行一次转换，采用超声波速度差法进行流量测量。
45.在本实施例中，mcu模块采用嵌入式微处理器实现，负责芯片控制和逻辑运算。
46.超声模拟前端模块的输出端分别与飞行时间计算模块的输入端连接，超声模拟前端模块的输出端进一步与amp放大电路的输入端连接，amp放大电路的输出端与mux模拟开关电路的输入端连接，mux模拟开关电路的输出端与超声模拟前端模块的输入端连接，飞行时间计算模块的输出端与超声模拟前端模块的输入端连接。
47.飞行时间计算模块，也就是皮秒计时模块，可以将飞行时间(皮秒量级)转化为数字量。换算过程如下：该模块连接有一路8mhz或更高频率，此处以8mhz为例的有源晶体振荡器，提供时钟基准参考，在每次上电后，模块自动完成10个时钟周期的计时校准(时长1/8us*10＝1.25us)，获得精确的最小计时单位的时间值，例如在10个时钟周期内，计时器数值为10000，则最小计时单位为1.25us/10000＝125ps。当皮秒计时模块获得开始信号后(上升沿有效)，开始计数累加，获得停止信号后(上升沿有效)停止计数累加，用计数值*125ps即为飞行时间。
48.在本实施例中，超声波模拟前端模块包括：内部集成超声测距的发送模拟电路和接收模拟电路、低噪声放大器、电压比较器。
49.具体的，如图6所示，amp放大电路包括：放大器，其中，放大器的正向输入端通过第一电阻r11与超声模拟前端模块的输出端连接，以通过超声模拟前端模块接入飞行时间计算模块的tx脉冲，进行电压与功率放大，更好的驱动压电片，使得超声波信号强度更好；比较器的负向输入端与第二电阻r8的一端连接，第二电阻r8的另一端接地，比较器的负向输入端进一步与第三电阻r9的一端连接，第三电阻r9的另一端与比较器的输出端连接。
50.如图7所示，mux模拟开关电路与mcu模块的两个gpio引脚连接，选择第一pzt压电片和第二pzt压电片的工作状态；mux模拟开关电路与amp放大电路的输出端连接，mux模拟开关电路与第一pzt压电片和第二pzt压电片的sma射频端子连接。其中,j1、j2是连接压电片的sma射频端子，tx来之超声波模拟前端模块的发送引脚，rx连接至超声波模拟前端模块的接收引脚。mcu_aux_in1、mcu_aux_in2连接至主控芯片mcu的两个gpio引脚，可以选则j1发送j2接收，或者j1接收j2发送两种工作状态。
51.在本实施例中，mux模拟开关电路采用程控模拟开关，以执行信号换向，切换第一pzt压电片和第二pzt压电片的发送和接收任务。mux为程控模拟开关，负责信号换向，切换两个压电陶瓷的发送和接收任务，检测正向与反向的超声波传播速度，推算被测液体流量。
52.推算被测液体流量过程如下：
53.两个pzt间距离为l，正向飞行时间为t1，反向飞行时间为t2，管道直径为d,假设t1》t2
[0054][0055][0056]v1
＝v
声速
+v
流速
[0057]v2
＝v
声速-v
流速
[0058][0059][0060]
需要说明的是，本实施例中的超声流量计除了以上部分及组件，还包括其他必要的供电电路、管路和设备壳体。在此就不再一一介绍。
[0061]
本实施例提供的化学液超声流量计的工作原理如下：主控芯片mcu通过spi总线配置飞秒计时模块(或者称为飞秒时间计算电路)和超声模拟前端模块(即超声波发送和接收处理电路)的内部寄存器，完成其工作参数设定，通过gpio控制模拟开关mux，通过uart串口输出数据给第三方采集控制系统。工作过程如下：通过spi接口控制飞行时间计算模块和超声波模拟前端模块工作，电路工作时，mcu通过2根gpio控制模拟开关mux切换信号到pzt a发送超声波，pztb接收超声波，并控制超声波模拟前端模块进行一次转换，飞行时间计算模块输出一个触发信号trg给超声波模拟前端模块，超声波模拟前端模块发送一束超声波脉冲(1-10个脉冲)到pzt压电陶瓷，输出开始信号给飞行时间计算模块，等待回波返回，回波返回后由接收pzt接收，转换为微小电压信号，经过超声模拟前端模块内置的lna(低噪声放大器)对信号进行放大，经过超声模拟前端模块内置的电压比较器，转换为脉冲方波作为停止信号，输出停止信号给飞行时间计算模块，飞行时间计算模块将飞行时间转换为数字量，通过spi传输给主控芯片mcu，mcu完成换算后通过uart串口传输给其他采集控制设备。
[0062]
在本技术实施例中提供了一种超声波流量计，包括：壳体，所述壳体空间分为两个部分；阀门组件，用于对液体流入所述超声波流量计进行控制；流量测量组件，用于通过超
声波对流经所述流量测量组件的液体流速进行测量，其中，所述阀门组件与所述流量组件连接，所述阀门组件和所述流量组件位于所述两个部分中的第一部分；电路板，用于对阀门组件以及流量测量组件进行控制，其中，所述电路板位于所述两个部分中的第二部分，其中，所述电路板覆盖所述阀门组件和所述流量测量组件。
[0063]
通过本实施例解决了现有技术中没有公开精度要求较高的超声波流量计内部结构的问题，从而为提高测量精度提供了结构上的保障。
[0064]
在可选的一个实施方式中，还可以包括：多个安装柱，所述安装柱的一端固定在所述壳体上，所述安装柱位于所述第一部分中，所述安装柱的另一端用于固定所述电路板，所述电路板与所述壳体的一侧构成所述第一部分，所述电路板所在的部分为所述第二部分。
[0065]
对于阀门组件和流量测量组件的布局，可选地，所述阀门组件设置在所述第一部分中的一侧，所述流量测量组件设置在所述第一部分中的另一侧。本实施例中的流量测量仪还包括：进水管和出水管，其中，所述进水管与所述阀门组件连接，所述出水管与所述流量测量组件连接。
[0066]
下面结合附图对本技术的一个实施例进行说明。图8示出了流量计内部布局，如图8所示：水流从进水管11进入，从右侧水流进入方向，先经过阀门30，阀门30由电机40驱动，再通过超声波测量组件20，流经出水管接头13，最后从出水管12流出，完成一次测量过程。其中，进水管11和阀门30通过接头连接，流量测量组件20热接一段延长管后与阀门30另一端通过接头连接；流量测量组件20另一端通过热接的方式与接头的一端进行连接，出水管12连接接头另一端。电机40和阀门30统称为阀门组件，通过电信号控制阀门的开合大小。该流量计还预留了电源接口50。
[0067]
图9是根据本技术实施例的超声波流量计安装电路板的示意图，如图9所示，最外侧安装电路板90，通过内部布局结构中的四个螺柱80进行紧固。图10是根据本技术实施例的超声波流量计的外观结构示意图，如图10所示，该超声波流量计上还设置有指示灯60(例如3个)，以及流向标识70。
[0068]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。