[发明专利]基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计

说明书

本发明公开了一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，涉及超声波流量计领域，该超声波流量计基于MEMS超声波换能器芯片设计，MEMS超声波组件设置在连通主管道的支流管道内，通过主管道内部的阻流结构的作用将主管道流入支流管道内的流体流速调整降低至MEMS超声波换能器芯片的可应用范围内，使得可利用MEMS超声波换能器芯片实现预定流速范围和精度需求的流量计量要求，同时得益于MEMS芯片的小尺寸，整个超声波流量计的结构紧凑小巧。

技术领域

本发明涉及超声波流量计领域，尤其是一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计。

背景技术

当前的超声波流量计大都是基于TOF(time-of-flight)算法来对流过的流体进行测量的，这种算法通过计量流体中方向相反但传输距离相同的两个超声信号的传输时差来计算流体流速以及流量，传统的基于TOF算法的超声波流量计采用陶瓷超声波换能器来发射和接收超声信号，陶瓷超声波换能器的尺寸较大(接收信号的陶瓷膜直径通常为厘米级的)，因此整个超声波流量计的尺寸较大，集成度不高。

随着技术的发展，目前尺寸微小的MEMS超声波换能器芯片(百微米级)已经逐渐普及，但是若将MEMS超声波换能器芯片直接替代陶瓷超声波换能器应用在超声波流量计中则会存在如下问题：实际应用时，超声波流量计需要能够实现对一定流速范围内的流体的计量，比如根据刚刚出版的GB/T 39841-2021标准，常见的家用或商用燃气表用超声波流量计的量程跨度从1.6m³/h到10m³/h，分辨率最小需要达到0.01m³/h，由于陶瓷超声波换能器尺寸较大，因此相同管道截面积内流量变化导致的流速变化对于信号能否接收到影响不大，但对于尺寸微小的MEMS超声波换能器芯片，流速的过大变化范围会导致固定距离的超声波换能器无法接收到超声信号，因此直接将MEMS超声波换能器芯片应用在现有的超声波流量计时会出现测量精度不高甚至无法测量的问题。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，本发明的技术方案如下：

一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，该超声波流量计包括主管道、支流管道、两个MEMS超声波组件以及信号处理板，支流管道的进口端和出口端沿着主管道内部的流体流动方向分别连通至主管道的内腔；主管道内在支流管道的进口端和出口端之间形成有与进口端和出口端的截面积匹配的阻流结构；两个MEMS超声波组件安装在支流管道内，每个MEMS超声波组件基于MEMS超声波换能器芯片实现，两个MEMS超声波组件的传播路径呈预定测量角度，两个MEMS超声波换能器芯片连接信号处理板。

其进一步的技术方案为，每个MEMS超声波组件包括MEMS超声波换能器芯片、芯片基座以及透声保护罩，MEMS超声波换能器芯片固定在芯片基座上，透声保护罩固定在芯片基座上且与MEMS超声波换能器芯片间隔预定距离。

其进一步的技术方案为，透声保护罩由防水透声层和金属编织层组成。

其进一步的技术方案为，支流管道内开设有两个组件安装口，两个MEMS超声波组件分别可拆卸的设置在两个组件安装口内。

其进一步的技术方案为，支流管道安装在主管道的壳体外表面的上方，信号处理板安装在支流管道和主管道的壳体之间的空隙中。

其进一步的技术方案为，支流管道和主管道的壳体之间的空隙中设置有电路板保护盒，电路板保护盒内部设置有压扣，信号处理板设置在电路板保护盒内的盒底与压扣之间的插槽内，盒底与压扣紧固信号处理板，MEMS超声波组件与信号处理板之间通过电路板保护盒上的电气连接器相连。

其进一步的技术方案为，主管道的内壁在支流管道的进口端和出口端之间向内凸起形成文丘里管式的阻流结构。

其进一步的技术方案为，支流管道内还设置有支流管道整流隔板，支流管道整流隔板的板面平行于流体流动方向。