一种换能器、制造方法及流量测量装置与流程

1.本发明涉及流体流量测量技术领域，具体说是一种换能器、制造方法及流量测量装置。


背景技术：

2.超声波流量计是一种利用时差法原理来对管内流体流量进行测量的装置，通过测量超声波脉冲在流体顺流和逆流时往返于两个超声波本体之间的时间，来确定管道内流体的流速，通过计算得到流体的流量。超声波流量计主要包括主机和换能器，换能器的导线与主机相连。所述换能器含有本体和声波通信杆，本体与声波通信杆呈固定连接，且本体的辐射面与声波通信杆的一端相抵，从而实现信号传输。
3.目前，传统换能器中、声学匹配层由塑料、peek或低粘度的环氧树脂制成。然而，塑料、peek或低粘度的环氧树脂本身的特性，制成的声学匹配层的电学性能较差，声学匹配效果不好，导致流量测量装置的测量结果误差较大。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种换能器、制造方法及流量测量装置，该换能器的电学性能较好，声学匹配效果好，测量结果误差较小。
5.为解决上述问题，采用以下方案：本发明的换能器包括本体和声波通信杆，本体与声波通信杆呈固定连接，且本体的辐射面与声波通信杆的一端相抵，从而实现信号传输。其特点是，所述本体的声学匹配层由含有银和环氧树脂混合而成的混合材料制成。所述混合材料按质量比含有2~4份银粉和6~8份ab胶。
6.其中，所述本体包括外壳和导线，外壳含有支撑筒，支撑筒内同心设置有柱状的背衬，背衬的内端面为光滑平面，背衬的外端面呈表面坑洼的不规则状。所述背衬的内端覆盖有用于作为声学发射和接收元件的压电陶瓷片，所述声学匹配层位于压电陶瓷片与支撑筒内腔的底部间，背衬与支撑筒内腔间有限位机构，使得背衬、压电陶瓷片和声学匹配层固定在支撑筒内。所述背衬与导线的一端相连，导线的另一端穿过支撑筒的口部伸出在外。所述支撑筒筒底的外端面即为所述辐射面。
7.所述限位机构包括限位套和压紧螺帽。所述限位套套在压电陶瓷片与背衬间，限位套的外周面与支撑筒外侧相抵。所述支撑筒口部内周面上加工有内螺纹，所述压紧螺帽位于支撑筒的口部内，且二者间呈螺纹连接，压紧螺帽的内侧面与背衬的外端间有压缩弹簧。
8.所述背衬的外端面上同心设置有向外伸出的连接柱，连接柱的外端有沿支撑筒径向布置的螺纹孔，螺纹孔内有螺栓，所述导线一端位于螺栓与连接柱间，所述压紧螺帽上有便于导线穿过的让位孔，导线另一端穿过让位孔和支撑筒口部伸出在外。
9.所述压紧螺帽外侧的支撑筒内填充有胶块，所述导线穿过胶块。
10.所述声波通信杆包括长管，靠近本体的长管一端呈封闭状，长管内填充有圆柱丝或薄片制成的传输部，传输部的一端与长管封闭端的内表面相抵，传输部的另一端固定有连接片，连接片位于长管开口端外，连接片外侧与长管敞口端间有防护罩。所述长管封闭端套连有连接套，连接套的内端套在长管的外侧，且二者间呈固定连接，连接套的内侧壁与长管的外侧壁间有沿声波通信杆轴向布置的透气孔，所述支撑筒的筒底端从连接套的外端伸入到连接套内。
11.上述换能器的制备方法的特点是包括如下步骤：第一步，分别制造本体和声波通信杆制造本体：分别制备支撑筒、压电陶瓷片、背衬、压缩弹簧、限位套和压紧螺帽、导线和螺栓。
12.连接柱与导线的连接过程是：将导线一端缠绕在螺栓上，再将螺栓装入到螺纹孔中，使得导线被压紧在连接柱上即可。
13.安装过程如下：a. 在支撑筒内腔的底部制备声学匹配层：首先，按质量比选取2-4份的银粉加入到6~8份ab胶中搅拌均匀即可得到胶状的混合材料；接着，将混合材料均匀涂覆到支撑筒内腔的底部，涂覆厚度为超声波的波长的1/4；之后，待涂覆在支撑筒内的混合材料干燥后即得到声学匹配层。
14.b.声学匹配层制备完成后，先向支撑筒内分别装入限位套、压电陶瓷片、背衬压缩弹簧和压紧螺帽，将导线的外端从让位孔中穿过到支撑筒外；接着，拧紧压紧螺帽，使压缩弹簧被压缩，从而将背衬固定在支撑筒内。
15.c.向压紧螺帽外侧的支撑筒内灌入高温密封胶，高温密封胶冷却后即形成所述胶块，进而得到所述本体。
16.声波通信杆：分别制备长管、传输部、连接片、防护罩和连接套，安装过程如下：传输部、连接片、防护罩与长管的连接过程是：a.通过焊接的方式，将传输部中所有圆柱丝或薄片一端依次均布到连接片上。
17.b.将传输部深冷后装入到长管中。
18.c.将防护罩与长管的敞口部固定相连，传输部在温度回升后膨胀，传输部与长管内腔紧密结合，防护罩与连接片相抵在一起。
19.连接套与长管的连接过程是：将连接套套在长管封闭外侧，通过焊接的方式使连接套与长管固定连接，焊接过程中确保连接套一侧与长管间有间隙，从而形成所述透气孔；第二步，本体与声波通信杆安装首先，分别在支撑筒筒底外表面和长管封闭端外表面均涂覆耦合材料；然后，将支撑筒筒底端穿入到连接套内，支撑筒与连接套间通过螺纹或夹具呈固定连接，支撑筒筒底端与长管封闭端相抵，耦合剂受压会流淌到所述间隙中，从而将支撑筒、长管与连接套间的空气挤压到间隙中，使得本体的辐射面与声波通信杆紧密贴合，确保信号传输稳定。
20.一种流量测量装置，包括主机和不少于两个换能器组，换能器组均有两个换能器，换能器的导线均与所述主机相连，其特点是，所述换能器为上述方案的换能器。
21.采取以上方案，具有以下优点：1.由于本发明的换能器的声学匹配层由含有银和环氧树脂混合而成的混合材料
制成。该混合材料的电学性能较好，声学匹配效果好，从而使得采用该换能器的流量测量装置的测量结果准确。
22.2.由于本发明的换能器的背衬背面为表面坑洼的不规则状，采用不规则状的背面可抑制超声波在背衬的内部传播，起到漫反射的功能，最终起到声学阻尼的作用，确保信噪比。传统的背衬的表面为光滑状，信噪比低。现有技术也有采用多种材料复合出新材料制得背衬的方式，通过在新材料中加入声学阻尼材料，从而起到声学阻尼作用，使得背衬的信噪比高。然而，采用多种材料复合，加工工艺复杂，本发明的背衬由现有石墨青铜材料直接加工，无需先制备出复合材料、再加工，大大简化了加工过程。
23.3. 由于本发明的换能器的连接套与长管间有透气孔。有透气孔的存在，支撑筒与长管连接时，二者间涂覆的耦合剂可流淌到该透气孔中，从而将支撑筒筒底与长管封闭端间的空气挤出，使得支撑筒与长管封闭端可紧密贴合，确保换能器接收到的声学信号强度优秀，减小了测量误差，提高了测量稳定性。
附图说明
24.图1是本发明的换能器的结构示意图；图2是本发明的换能器中本体的剖视示意图；图3是本发明的换能器中背衬的结构示意图；图4是本发明的换能器中声波通信杆的剖视图（薄片制成的传输部）；图5是本发明的换能器中薄片结构的传输部的端面示意图；图6是本发明的换能器中本体与声波通信杆的连接剖视图；图7是本发明的测量装置的结构示意图；图8是本发明的换能器与背衬的背面为平面换能器的信噪比对比图；图9是本发明的换能器接收的声学信号与无透气孔的换能器接收的声学信号的强度对比图。
25.图10是本发明的换能器与传统换能器的声学信号对比图。
具体实施方式
26.以下结合附图1-10和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
27.如图1所示，本发明的换能器包括本体1和声波通信杆2。所述本体1为压电换能器。本体1与声波通信杆2呈固定连接，且本体1的辐射面与声波通信杆2的一端相抵，从而实现信号传输。本体1的声学匹配层1010由含有银和环氧树脂混合而成的混合材料制成。混合材料按质量比含有3份银粉和7份ab胶。该混合材料的电学性能较好，声学匹配效果好，从而使得采用该换能器的流量测量装置的测量结果准确。利用声波通信杆2使本体1远离介质，从而使得换能器不受介质的温度和压力影响。
28.如图2和图3所示，本体1包括外壳和导线1013，外壳含有支撑筒104，支撑筒104内同心设置有柱状的背衬108，背衬108的内端面为光滑平面，背衬108的外端面呈表面坑洼的不规则状。不规则状的外端面可以抑制背衬108背面的超声波，抑制超声波在背衬108的内
部传播，起到漫反射的功能，最终起到声学阻尼的作用。进而，在原始信号中起到降低声学信号的震荡，减小尾波提高灵敏度和窄脉冲的优点。
29.背衬108的内端覆盖有用于作为声学发射和接收元件的压电陶瓷片1011。陶瓷片具有翻边和未翻边两种，为了获取更好的压电效果，本发明使用未翻边的压电陶瓷制得压电陶瓷片1011。
30.声学匹配层1010位于压电陶瓷片1011与支撑筒104内腔的底部间，背衬108与支撑筒104内腔间有限位机构，使得背衬108、压电陶瓷片1011和声学匹配层1010固定在支撑筒104内。限位机构包括限位套109和压紧螺帽105。限位套109套在压电陶瓷片1011与背衬108间，限位套109的外周面与支撑筒104外侧相抵。支撑筒104口部内周面上加工有内螺纹，压紧螺帽105位于支撑筒104的口部内，且二者间呈螺纹连接，压紧螺帽105的内侧面与背衬108的外端间有压缩弹簧106。利用限位套109对背衬108进行径向限位，确保背衬108居于支撑筒104中心，使用限位套109作为结构件固定背衬108，限位套109不作为有效的声学信号传输，并且需要具有高低温的特性，选择特氟龙或peek的材质，本实施例中限位套109由特氟龙制成。向下拧紧压紧螺帽105过程中，压缩弹簧106被压缩，其作用力可确保背衬108与压电陶瓷片1011、压电陶瓷片1011与声学匹配层1010紧密配合。压紧螺帽105上方的支撑筒104内设置胶块103，起到二次限位的效果。
31.背衬108的外端面上同心设置有向外伸出的连接柱107，连接柱107的外端有沿支撑筒104径向布置的螺纹孔1012，螺纹孔1012内有螺栓1016，导线1013一端位于螺栓1016与连接柱107间，压紧螺帽105上有便于导线1013穿过的让位孔1014，导线1013另一端穿过让位孔1014和支撑筒104口部伸出在外。为了便于导线1013与连接柱107接触，连接柱107的上端加工有两个互相平行的平面，螺纹孔1012的两端分别位于两个平面上，如图3所示。
32.本实施例中，压缩弹簧106与连接柱107间设置有由铁氟龙制成的护管1015，护管1015套在连接柱107上，护管1015外侧壁与压缩弹簧106的内侧壁相抵。利用圆形的护管1015对压缩弹簧106进行导向，防止压缩弹簧106变形。
33.本实施例中，为了更好的对本体1核心部件的保护，支撑筒104开口端设置有上盖101，上盖101与支撑筒104间呈固定连接，上盖101侧壁上有便于导线1013穿过的引线孔102。
34.如图4所示，声波通信杆2包括长管203，靠近本体1的长管203一端呈封闭状，长管203内填充有圆柱丝或薄片制成的传输部204，如图5所示。经过测试和试验，使用材质为316ss的材质时，圆柱丝的半径为0.5mm，薄片的长宽为1*15mm的钢带能够获得最好的声学传输性能。本实施例中传输部204由长宽为1*15mm的钢带制成。
35.如图4所示，传输部204的一端与长管203封闭端的内表面相抵，传输部204的另一端固定有连接片206，该连接片由银制成。连接片206位于长管203开口端外，连接片206外侧与长管203敞口端间有防护罩205，该防护罩由316ss制成。防护罩205与长管203开口端通过螺纹固定连接。长管203封闭端套连有连接套201，连接套201的内端套在长管203的外侧，且二者间呈固定连接，连接套201的内侧壁与长管203的外侧壁间有沿声波通信杆2轴向布置的透气孔，支撑筒104的筒底端从连接套201的外端伸入到连接套201内。
36.如图6所示，支撑筒104与连接套201间通过螺纹或夹具呈固定连接，通过夹具连接的结构可参考申请号为2022103031383的中国发明专利申请。本实施例中，本体1与声波通
信杆2呈螺纹连接，支撑筒104底端外侧面加工有外螺纹，连接套201内表面加工有内螺纹，支撑筒104底端螺纹旋入连接套201中，直至支撑筒104底端面与长管203封闭端相抵。
37.本实施例中换能器的制备方法包括如下步骤：第一步，分别制造本体1和声波通信杆2制造本体1：分别制备支撑筒104、压电陶瓷片1011、背衬108、压缩弹簧106、限位套109和压紧螺帽105、导线1013、螺栓1016和护管1015。
38.支撑筒104由ss316或者ti合金加工而成，本实施例中支撑筒104由ti合金加工而成，压电陶瓷片1011采用未翻边的压电陶瓷制备而成，限位套109由特氟龙制成。背衬108和连接柱107由石墨青铜一体加工而成后，再在连接柱107上端加工出螺纹孔1012，再进行镀银工艺制备而成。背衬108和连接柱107一体加工的优点是可避免焊接，从而不会出现因焊接导致银膜脱落的异常问题。
39.连接柱107与导线1013的连接过程是：将导线1013一端缠绕在螺栓1016上，再将螺栓1016装入到螺纹孔1012中，使得导线1013被压紧在连接柱107上即可。
40.安装过程如下：a. 在支撑筒104内腔的底部制备声学匹配层1010：首先，按质量比选取3份的银粉加入到7份ab胶中搅拌均匀即可得到胶状的混合材料。接着，将混合材料均匀涂覆到支撑筒104内腔的底部，涂覆厚度为超声波的波长的1/4。之后，待涂覆在支撑筒104内的混合材料干燥后即得到声学匹配层1010。其中ab胶按质量比有1份a胶和3份b胶混合而成。
41.b.声学匹配层1010制备完成后，先向支撑筒104内分别装入限位套109、压电陶瓷片1011、背衬108、护管1015、压缩弹簧106和压紧螺帽105，将导线1013的外端从让位孔1014中穿过到支撑筒104外。接着，拧紧压紧螺帽105，使压缩弹簧106被压缩，从而将背衬108固定在支撑筒104内。
42.c.向压紧螺帽105外侧的支撑筒104内灌入高温密封胶，高温密封胶冷却后即形成胶块103，进而得到本体1。
43.声波通信杆2：分别制备长管203、传输部204、连接片206、防护罩205和连接套201。
44.传输部204、连接片206、防护罩205与长管203的连接过程是：a.通过agcu钎焊的方式，将传输部204中所有圆柱丝或薄片一端依次均布到连接片206上。
45.b. 通过液氮冷却的方式将传输部204冷却后装入到长管203中。
46.c.将防护罩205通过螺纹与长管203的敞口部固定连接，螺纹拧紧后，在防护罩205与长管203的坡口处进行焊接，确保声波通信杆2的整体性、密封性，以适应在高压情况下的使用。传输部204在温度回升后膨胀，传输部204与长管203内腔紧密结合，防护罩205与连接片206相抵在一起。
47.使用agcu钎焊的方式将钢带焊接到连接片206上，并且控制钎焊的厚度，使钎焊的厚度为超声波长的1/4，确保获取更加优秀的声学匹配，这样的焊接方式可以确保传输部204在温度800℃时稳定可靠。
48.连接套201与长管203的连接过程是：将连接套201套在长管203的封闭端外侧，通过焊接的方式使连接套201与长管203固定连接，焊接过程中确保连接套201一侧与长管203间有0.5~1mm的间隙202，从而形成透气孔。
49.第二步，本体1与声波通信杆2安装首先，分别在支撑筒104筒底外表面和长管203封闭端外表面均涂覆耦合材料。然后，将支撑筒104筒底端旋入到连接套201内，直至支撑筒104筒底端与长管203封闭端相抵，耦合剂受压会流淌到间隙202中，从而将支撑筒104、长管203与连接套201间的空气挤压到间隙202中，使得本体1的辐射面与声波通信杆2紧密贴合，确保信号传输稳定。
50.由于间隙202的存在，当将本体1拧紧的时候，耦合剂受压会流淌到此缝隙中，并且压缩本体1和耦合杆之间的空气。如果没有此缝隙的存在，会导致因为接触面空气的存在，在受压后，不能使本体1和耦合杆之间紧密接触，最终会导致声学信号传输幅值降低，并且出现测量异常的问题。同时间隙202具有隔绝管道声学噪声的特点，本体1安装完成后，由于间隙202的存在，当管道由于环境高频振动引起的声学噪声经过耦合杆后，间隙202能够起到去耦材料的功能。
51.如图7所示，本发明的流量测量装置包括主机3和不少于两个换能器组，换能器组均有两个本实施例中的换能器，换能器的导线1013均与主机3相连。换能器与流体管道的连接方式可参考申请号为2022103031383的中国发明专利申请。
实施例2
52.与实施例1相比，混合材料按质量比含有2份银粉和8份ab胶。
实施例3
53.与实施例1相比，混合材料按质量比含有4份银粉和6份ab胶。
54.对比例1与实施例1相比，声学匹配层1010由塑料制成。
55.对比例2与实施例1相比，声学匹配层1010由peek制成。
56.对比例3与实施例1相比，声学匹配层1010由低粘度环氧树脂制成。
57.对比例4与实施例1相比，混合材料按质量比含有1份银粉和9份ab胶。
58.对比例5与实施例1相比，混合材料按质量比含有5份银粉和5份ab胶。
59.下表为所有实施例和对比例的声学匹配层的性能参数：
项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3对比例4对比例5阻抗(ω）50100054013m10m5.6m6.7m5.5k声阻抗率（pa*s/m）3.5x1067.5x1066.3x1068.5x1066.7x1065.5x1066.9x1067.2x106通过该表可得知，所有实施例的声学匹配层1010的阻抗在1000ω以下，而对比例中声学匹配层1010的阻抗在5.5kω以上，所有实施例和对比例的声阻抗率均符合要求。所以，可明显得知，本发明的换能器的声学匹配层1010的阻抗较小，声阻抗率适中，使得换能器的电学性能和声学性能优异，确保采用本发明换能器的流量测量装置的测量结果准确，稳定性好。
60.对实施例1的换能器进行信噪比测试，得出的曲线如图8上半部分，将实施例1的换能器的背衬换成背面光滑的背衬，进行信噪比测试，得出的曲线如图8下半部分，通过对比，背面为不规则状的背衬可使得换能器的信噪比高，使得流量测量装置的测试过程稳定，测试结果准确。采用多种材料复合出新材料制得背衬的方式，虽然也能保证信噪比；但是，采用多种材料复合的加工工艺，与本发明的背衬由现有石墨青铜材料一体加工成型相比，加工过程复杂，加工效率较低。
61.对实施例1的换能器进行接收信号强度测试，得出的曲线如图9上半部分所示，在实施例1的换能器制备过程中，取消透气孔，得到没有透气孔的换能器，对其进行接收信号强度进行测试，得出的曲线如图9下半部分所示。通过对比，设置透气孔可使支撑筒与长管封闭端可紧密贴合，使得换能器接收到的声学信号强度优秀，减小了测量误差，提高了测量稳定性。
62.经过实测，如图10所示，本发明的换能器采集的原始声学回波信号比传统的换能器有明显提升，输出的驱动信号也有明显提升，从而使得采用本发明换能器的流量测量装置的测量精度得到明显提升。