阅读说明：本技术 一种超声波流量计 (Ultrasonic flowmeter ) 是由 沈西琳 张宇明 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超声波流量计,包括超声波传感器、一次性流体管路以及与超声波传感器电连接的超声波流量测量电路和软件系统,其中,一次性流体管路包括管路主体和两个流体接口,管路主体包括依次连接的管段一、管段二和管段三,管段一和管段三均与管段二垂直,管段一和管段三与管段二连接处的转角部位具有反射面管壁,管段一和管段三的自由端封闭,两个自由端端部的表面为两个耦合界面,超声波传感器在耦合界面上与一次性流体管路耦合连接,超声波传感内部设置的超声波换能器发射的超声波信号能够穿过耦合界面传播至一次性流体管路内。本发明的使用可以保证待测液体的清洁,能有效避免测量过程产生交叉污染,并提高测量精度和可重复性。(The invention provides an ultrasonic flowmeter which comprises an ultrasonic sensor, a disposable fluid pipeline, an ultrasonic flow measuring circuit and a software system, wherein the ultrasonic flow measuring circuit and the software system are electrically connected with the ultrasonic sensor, the disposable fluid pipeline comprises a pipeline main body and two fluid interfaces, the pipeline main body comprises a first pipeline section, a second pipeline section and a third pipeline section which are sequentially connected, the first pipeline section and the third pipeline section are perpendicular to the second pipeline section, a reflection surface pipe wall is arranged at a corner part of the joint of the first pipeline section and the third pipeline section and the second pipeline section, free ends of the first pipeline section and the third pipeline section are closed, the surfaces of the end parts of the two free ends are two coupling interfaces, the ultrasonic sensor is coupled and connected with the disposable fluid pipeline on the coupling interfaces, and ultrasonic signals transmitted by an ultrasonic transducer arranged in the ultrasonic sensor can be transmitted into the disposable fluid pipeline through. The use of the invention can ensure the cleanness of the liquid to be measured, effectively avoid the cross contamination in the measuring process and improve the measuring precision and repeatability.)

一种超声波流量计

技术领域

本发明涉及超声波流量检测技术领域，特别涉及一种超声波流量计。

背景技术

超声波流量计通常利用压电材料的压电效应，采用适当的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，经压电元件变为电能，以便检测。根据信号检测的原理，目前超声波流量计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散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，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脉冲顺流和逆流传播时传播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。

随着生物制药和医疗器械产业的发展，越来越多的生产对卫生洁净程度要求很高，比如化学品的纯化和分离、生物反应容器的进液排液过程、色谱法分离过程中的酸碱平衡控制、血透仪中的血液药液流速监控等领域，在这些领域中使用传统的超声波流量计可能会造成交叉污染的风险且操作复杂。

而且在很多生物、制药、医疗器械应用当中，需测液体种类较多，密度、声速变化范围很大，由此引起的超声波折射角变化会造成测量误差增大，超声波流量计测量精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波流量计，以解决现有技术中超声波流量测量误差大、操作困难、可重复性低以及测量过程中容易造成交叉污染的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超声波流量计，包括：

超声波传感器，内部设置有超声波换能器，用于发射和接收超声波信号；

一次性流体管路，包括U型的管路主体和两个流体接口，所述管路主体包括依次连接的管段一、管段二和管段三，所述管段一和所述管段三均与所述管段二垂直，所述管段一与所述管段二连接处的转角部位、所述管段三与所述管段二连接处的转角部位均具有用于反射所述超声波信号的反射面管壁，所述管段一和所述管段三的自由端封闭，在接近所述管段一的自由端的侧壁上设有一个所述流体接口作为流体入口，在接近所述管段三的自由端的侧壁上设有另一个所述流体接口作为流体出口；

所述管段一和所述管段三的自由端端部的表面为两个耦合界面，所述超声波传感器在所述耦合界面上与所述一次性流体管路耦合连接，所述超声波换能器发射的超声波信号能够穿过所述耦合界面传播至所述一次性流体管路内；

超声波流量测量电路和软件系统，与所述超声波传感器电连接，用于根据所述超声波换能器接收到的超声波信号测量流体流速。

可选的，所述超声波换能器的数量为1个，设置在所述超声波传感器内与第一耦合界面相对的位置，所述第一耦合界面为所述管段一的自由端端部的表面；或者，

所述超声波换能器的数量为2个，相邻设置在所述超声波传感器内与所述第一耦合界面相对的位置；或者，

所述超声波换能器的数量为2个，分别设置在所述超声波传感器内与所述第一耦合界面和第二耦合界面相对的位置，所述第二耦合界面为所述管段三的自由端端部的表面。

可选的，所述一次性流体管路与所述超声波传感器在所述耦合界面的连接处之间还设有声学耦合材料。

可选的，所述超声波传感器和/或所述一次性流体管路上还设有对准结构，用于在设有所述声学耦合材料的情况下辅助所述超声波传感器和所述一次性流体管路对准。

可选的，第一超声波换能器发射的超声波先后被两个所述反射面管壁反射并且被第二超声波换能器接收，所述第一超声波换能器为与所述第一耦合界面相对设置的超声波换能器，所述第二超声波换能器为与所述第二耦合界面相对设置的超声波换能器。

可选的，两个所述反射面管壁与所述管段二的夹角的范围在45±5°以内。

可选的，所述管段一和所述管段三的长度范围在1～15厘米之间，所述管段二的长度范围在2～30厘米之间。

本发明提供的一种超声波流量计，具有以下有益效果：

所述超声波流量计，包括超声波传感器、与超声波传感器耦合连接的一次性流体管路以及与超声波传感器电连接的超声波流量测量电路和软件系统，其中，一次性流体管路包括管路主体和两个流体接口，管路主体包括依次连接的管段一、管段二和管段三，管段一和管段三均与管段二垂直，管段一和管段三与管段二连接处的转角部位具有反射面管壁，管段一和管段三的自由端封闭，在接近所述管段一的自由端的侧壁上设有一个流体接口作为流体入口，在接近管段三的自由端的侧壁上设有另一个流体接口作为流体出口，两个自由端端部的表面为两个耦合界面，超声波传感器在耦合界面上与一次性流体管路耦合连接，超声波传感内部设置的超声波换能器发射的超声波信号能够穿过所述耦合界面传播至所述一次性流体管路内。由于在测量过程中待测液体不与超声波传感器进行直接接触，保证了待测液体的清洁，因此本发明能有效避免测量过程产生交叉污染，并且U型的管路主体加长了声学通路，从而提高了测量精度和可重复性。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种超声波流量计的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种超声波流量计的所述一次性流体管路的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种超声波流量计的另一种所述一次性流体管路的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的一种超声波流量的所述超声波传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例一提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图；

图8是本发明实施例四提供的一种超声波流量计的所述管路主体的结构示意图；

图9是本发明实施例五提供的一种超声波流量计的所述管路主体的结构示意图；

其中，附图1～9的附图标记说明如下：

01-一次性流体管路；011-耦合界面；0121-流体入口；0122-流体出口；013-管段一；014-管段二；015-管段三；016-反射面管壁；02-超声波传感器；021-超声波换能器；03-声学耦合材料；041-发射声波；042-反射声波；05-反射物体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超声波流量计作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。

<实施例一>

参阅图1和图2，图1是本实施例提供的一种超声波流量计的结构示意图；图2是本实施例提供的一种超声波流量计的所述一次性流体管路的结构示意图。

所述超声波流量计包括：超声波传感器02、一次性流体管路01、超声波流量测量电路和软件系统(图中未示出)。一次性流体管路01与超声波传感器02耦合连接，超声波流量测量电路和软件系统与超声波传感器02电连接。

具体的，超声波传感器02的内部设置有超声波换能器021，用于发射和接收超声波信号；

一次性流体管路01，包括U型的管路主体和两个流体接口，所述管路主体包括依次连接的管段一013、管段二014和管段三015，所述管段一013和所述管段三015均与所述管段二014垂直，所述管段一013和所述管段三015与所述管段二014连接处的转角部位具有用于反射所述超声波信号的反射面管壁016。所述管段一013和所述管段三015的自由端封闭，在接近所述管段一013的自由端的侧壁上设有一个所述流体接口作为流体入口0121，在接近所述管段三015的自由端的侧壁上设有另一个所述流体接口作为流体出口0122；

所述管段一013和所述管段三015的自由端的端部表面为两个耦合界面011，所述超声波传感器在所述耦合界面011上与所述一次性流体管路01耦合连接，所述超声波换能器021发射的超声波信号，能够穿过所述耦合界面011传播至所述一次性流体管路01内，并且，所述超声波信号在01中经过反射后也能够穿过所述耦合界面011被021接收，然后超声波流量测量电路和软件系统根据所述超声波换能器021接收到的超声波信号测量流体流速。

需要说明的是，反射面管壁016有与内部接触的管内壁和暴露在外的管外壁两个表面，这两个表面有一个或者两个都是光滑的。如果反射面管壁016的材料的声学阻抗与液体的声学阻抗接近，那么管内壁反射的声波较弱，管外壁反射的声波较强。如果反射面管壁016的材料的声学阻抗比液体的声学阻抗明显大或者小很多，那么管内壁反射的声波会增强，管外壁反射的声波会相应减弱，并且这两个表面反射的声波会叠加在一起传播。

所述超声波流量测量电路和软件系统集成在所述超声波传感器02的内部，或者外置在单独的封装中并与所述超声波传感器02通过电缆连接。超声波在流体中的传播路径称为声学通路，在测量过程中，声学通路需要足够长，才能方便所述超声波流量测量电路和软件系统解析液体流动带来的多普勒效应或顺流逆流的超声波传播时差，进而计算出液体的流速和流量。本实施例中所述超声波流量计中的一次性流体管路01的主体为U型，使得声学通路得到了极大的加长，从而提高了液体流量测量的精度和稳定性，而且更易于测量微小管路内的低流速液体。

在实际应用中，可通过机械或其他物理方式对一个超声波传感器02和一个所述一次性流体管路01施加压力，使二者紧密连接从而达到声学耦合的目的。其中两者连接的方式不作限定，可以采用一种特殊设计的夹具，或者弹簧装置，或者卡扣，或者通过磁力吸附，或者通过螺纹螺栓紧固等等。

进一步的，如图1所示，所述一次性流体管路01与所述超声波传感器02在所述耦合界面011的连接处之间还设有声学耦合材料03，因为所述超声波传感器02和所述一次性流体管路02的表面都比较坚硬，因此所述一次性流体管路01与所述超声波传感器02在耦合界面011的连接处之间需要借助声学耦合材料03排尽空气，增加两者连接的紧密程度，以保证超声波信号尽可能多的穿过两者连接的界面。所述声学耦合材料可以是橡胶、柔性塑料、硅胶等，也可以是油脂，类似果冻的材料或者其他液体材料。

参阅图3和图4，图3是本实施例提供的一种超声波流量计的另一种所述一次性流体管路的结构示意图；图4为本实施例提供的一种超声波流量的所述超声波传感器的结构示意图。

所述一次性流体管路01上通过二次注塑或者粘合的方式加装声学耦合材料03，所述超声波传感器02上设有对准结构，用于辅助所述超声波传感器和所述一次性流体管路对准。比如，在本实施例中，如图3和图4所示，所述声学耦合材料03为一个橡胶或软塑料制成的圆形垫片，且声学耦合材料03预先安装在所述一次性流体管路01上，则在所述超声波传感器02上设置一个圆形凹槽作为对准结构。需要说明的是，圆形凹槽的深度应当小于圆形垫片的厚度，这样可以使得所述超声波传感器02和所述一次性流体管路01在耦合界面011处精确对准并压紧圆形垫片，以保证所述超声波流量计测量的精度和可重复性。在另一实施例中，圆形垫片也可以预先安装在所述超声波传感器02上，则在所述一次性流体管路01上设置一个圆形凹槽作为对准结构。在又一实施例中，在所述一次性流体管路01和所述超声波传感器02上均设置圆形凹槽，两个圆形凹槽的深度之和小于圆形垫片的高度，圆形垫片可以预先安装在所述一次性流体管路01上的圆形凹槽中，也可以预先安装在所述超声波换能器02上的圆形凹槽中。

具体的，所述管路主体的内部横截面可以为圆形，或者为椭圆形，或者为矩形，或者其他形状。例如，所述管路主体的内部横截面为圆形，圆形的直径可以在1～50mm范围之内。这样可以扩大超声波适合的波长范围从而扩大其发射频率范围，保证所述超声波流量计的测量精度。

进一步的，所述管段一013和管段三015的长度范围在1～15厘米之间，优选的，所述管段一013和管段三015的长度在2～5cm之间；所述管段二014的长度范围在2～30厘米之间，优选的，所述管段二014的长度在3～10cm之间。

优选的，所述一次性流体管路01的材料为塑料聚合物材料，例如PEEK材料，PP材料，ABS材料，Acrylic材料，PC材料，Nylon材料等等。但也可以是其他的非金属或金属材料，也可以是多种材料的组合，例如各个管段的绝大部分材料为塑料，但是反射面管壁016处的材料为金属或者陶瓷或者玻璃等反射率较高的材料。需要说明的是，这些材料本身需要符合相关应用的卫生安全和化学兼容性规定，从而保证测量液体的洁净度。

另外，两个所述流体接口的流体接头形式不作限定，可以为直圆管，或者鲁尔接头，或者宝塔接头，或者螺纹接头，或者其他的流体接头。

所述一次性流体管路01的生产方法可以采用注塑的方法或者机械加工的方法，具体的，可以通过一次注塑成型，也可以由多个部件通过热焊接、超声波焊接、胶水粘合、机械连接等方式组装而成。

在实际应用中，所述超声波流量计完成一次测量后，将所述一次性流体管路01拆除，根据下一次的测量需求连接新的一次性流体管路01。需要说明的是，多个所述一次性流体管路01的内外形状需要保持一致，管路内部横截面的尺寸误差不超过1％，尽量控制在0.5％以内，这样每次在替换新的一次性流体管路01时无需再次对超声波流量计标定同时也可以保证超声波流量计的测量精度。另外，一次性流体管路01在使用前需要进行消毒杀菌，避免出现交叉污染。消毒杀菌的方法可以采用蒸汽加热，伽马射线照射或其他方式。

本实施例提供的一种超声波流量计特别适用于对流体管路卫生性要求严格的生物制药、医疗器械、半导体和化学工业等领域的流量测量过程中。

在实际应用中，当待测液体从所述流体入口0121流入所述一次性流体管路01，然后从所述流体出口0122流出所述一次性流体管路01过程中，待测液体不与超声波传感器02进行直接接触，因此保证了待测液体的清洁，避免了交叉污染的风险。

参阅图5，图5是本实施例提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图。

所述超声波换能器021的数量为一个，一个所述超声波换能器021设置在所述超声波传感器内与第一耦合界面(第一耦合界面为所述管段一的自由端端部的表面)相对的位置，所述超声波换能器021可以通过第一耦合界面向一次性流体管路01发射连续或脉冲超声波信号，即发射声波041，在一次性流体管路01中充满待测液体并且待测液体中含有可以反射声波的固态颗粒、小气泡或者血细胞等反射物体05的情况下，发射声波041被反射物体05反射回来形成反射声波042并且被所述超声波换能器021接收，超声波传感器02将接收的超声波信号传播至超声波流量测量电路和软件系统，然后超声波流量测量电路和软件系统使用多普勒原理测量流体速度。因为一次性流体管路01的管路主体的内部横截面面积固定并可知，所以可以由测量得到的流体速度推导待测液体的瞬时流量。

<实施例二>

与实施例一的区别在于：本实施例的超声波流量计中，所述超声波换能器021的数量为两个。

参阅图6，图6是本实施例提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图。

两个所述超声波换能器021相邻设置在所述超声波传感器02内与所述第一耦合界面相对的位置。其中一个超声波换能器021可以通过第一个耦合界面向一次性流体管路01发射连续或脉冲超声波信号，即发生声波041，在一次性流体管路01中充满待测液体并且待测液体中含有可以反射声波的固态颗粒，小气泡或者血细胞等反射物体05的情况下，发射声波041被反射物体05反射回来形成反射声波042，则另一个超声波换能器021可以接收反射声波042，然后超声波流量测量电路和软件系统使用多普勒原理测量流体速度。因为一次性流体管路01的管路主体的内部横截面面积固定并可知，所以可以由测量得到流体速度推导待测液体的瞬时流量。

<实施例三>

与实施例二的区别在于：本实施例的超声波流量计中，两个所述超声波换能器021的设置位置有所改变。

参阅图7，图7是本实施例提供的一种超声波流量计使用状态的结构示意图。

两个所述超声波换能器021分别设置在所述超声波传感器内与所述第一耦合界面和第二耦合界面相对的位置，并且将与所述第一耦合界面相对设置的超声波换能器021作为第一超声波换能器，将与所述第二耦合界面相对设置的超声波换能器021作为第二超声波换能器。在一次性流体管路01中充满待测液体并且待测液体中不含有或者少量含有可以反射声波的固态颗粒、小气泡或者血细胞等反射物体05的情况下，第一超声波换能器发射的连续或脉冲超声波信号通过第一耦合界面进入到一次性流体管路01之中，并沿着各个管段在待测液体中传播，在传播过程中，第一超声波换能器发射的超声波先后被两个所述反射面管壁016反射并且最终被第二超声波换能器接收。

在满足上述条件的情况下，两个所述反射面管壁016与所述管段二014的夹角可以有一定的角度范围偏差且两个所述反射面管壁016与所述管段二014的夹角可以不相等，例如，两个所述反射面管壁016与所述管段二014的夹角的角度范围可以扩大为35～55度，或者更大。优选的，两个所述反射面管壁016与所述管段二014的夹角相等且为45°，如果有加工误差，也应该保持在45±5°以内，使得反射后的超声波前进方向尽量与相应传播管段平行。并且两个所述放射面管壁016的内表面和外表面有一个或者两个都是光滑的。

将所述管段一和所述管段三与所述管段二连接处的转角部位具有的反射面管壁作为第一反射面管壁，将所述管段三与所述管段二连接处的转角部位具有的反射面管壁作为第二反射面管壁。超声波信号传播到第一反射面管壁并在其光滑表面处发生反射，此时超声波信号的传播方向产生90度的改变，然后超声波信号遇到第二个反射面管壁并在其光滑表面处发生第二次反射，此时超声波信号的传播方向再次产生90度的改变，这样超声波信号在一次传播路径中传播方向总共改变了180度。随后超声波信号通过第二耦合界面进入到超声波传感器02中并被第二超声波换能器接收并转化为电信号。紧接着，第二超声波换能器发射出连续或脉冲超声波信号并通过第二耦合界面进入到一次性流体管路01之中，超声波沿着与第一次传播路径相反的方向传播并同样发生两次发射，最终通过第一耦合界面进入到超声波传感器02中并被第一超声波换能器接收并转化为电信号。

通过两个相反方向上的超声波发射和接收，并比较两个超声波换能器021接收的超声波信号的传播时间差或者相位差，可以计算出待测液体的流速和瞬时流量，此测量方法利用了超声波时差法或相位法测量流速的原理。

<实施例四>

与上述实施例三的区别在于：本实施例的超声波流量计中，两个所述反射面管壁016的外表面做成粗糙或者不规则表面，这样超声波信号只能在所述反射面管壁的内表面发生有效反射，而在外表面发生漫射，由此以来，这内外两个表面的反射波不会相互叠加干扰进而影响流量测量精度。

参阅图8，图8是本实施例提供的一种超声波流量计的所述管路主体的结构示意图。

两个所述反射面管壁016的外表面做成锯齿状以达到漫反射的目的。需要说明的是，反射面管壁016的外表面还可以做成其他不规则形状，比如做成随机高低不平的形状。

<实施例五>

与实施例一或实施例二或实施例三的区别在于：两个所述反射面管壁016的材料密度远大于液体，例如反射面管壁的材料为不锈钢、陶瓷或玻璃等材料，而且这些材料的声学阻抗远大于液体。

参阅图9，图9是本实施例提供的一种超声波流量计的所述管路主体的结构示意图。

可以在一次性流体管路01注塑过程中直接将这些材料嵌入反射面管壁016，也可以在一次性流体管路01加工成型后粘合或者以其他的方式将这些材料安装在相应位置作为反射面管壁。

综上所述，在本发明提供的一种超声波流量计，具有以下优点：

所述超声波流量计，包括超声波传感器、与超声波传感器耦合连接的一次性流体管路以及与超声波传感器电连接的超声波流量测量电路和软件系统，其中，一次性流体管路包括管路主体和两个流体接口，管路主体包括依次连接的管段一、管段二和管段三，管段一和管段三均与管段二垂直，管段一和管段三与管段二连接处的转角部位具有反射面管壁，管段一和管段三的自由端封闭，在接近所述管段一的自由端的侧壁上设有一个流体接口作为流体入口，在接近管段三的自由端的侧壁上设有另一个流体接口作为流体出口，两个自由端端部的表面为两个耦合界面，超声波传感器在耦合界面上与一次性流体管路耦合连接，超声波传感内部设置的超声波换能器发射的超声波信号能够穿过所述耦合界面传播至所述一次性流体管路内。由于在测量过程中待测液体不与超声波传感器进行直接接触，保证了待测液体的清洁，因此本发明能有效避免测量过程产生交叉污染，并且U型的管路主体加长了声学通路，从而提高了测量精度和可重复性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。