基于云计算的超声波流量传感器设计.pdf

应用研究模具制造 2023年第11期基于云计算的超声波流量传感器设计刘晨凯，汪俊明，许胜军（浙江迪元仪表有限公司，浙江义乌 322000）【摘要】目前提出的超声波流量传感器传感能力较差，响应时间过长。为了解决上述问题，基于云计算设计了一种新的超声波流量传感器，对传感器的结构和工作流程进行设计，并引入云计算增强传感器数据计算能力，有效提高超声波流量传感器测量精度。实验结果表明，设计的基于云计算的超声波流量传感器响应时间小于0.01s，测量误差低于3.5%，具有极强的响应能力。关键词：云计算；超声波流量；敏感元件；压电陶瓷；流量传感器中图分类号：R445.1 文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.11.037Design of Ultrasonic Flow Sensor Based on Cloud ComputingLiu Chenkai，Wang Junming，Xu Shengjun（Zhejiang Diyuan Instrument Co.,Ltd.,Yiwu,Zhejiang 322000,CHN）【Abstract】The current proposed ultrasonic flow sensor has poor sensing ability and long response time.In order to solve the above problems,a new ultrasonic flow sensor based on cloud computing was designed.The structure and workflow of the sensor were designed,and cloud computing was introduced to enhance the data calculation ability of the sensor,effectively improving the measurement accuracy of the ultrasonic flow sensor.The experimental results show that the designed ultrasonic flow sensor based on cloud computing has a response time of less than 0.01 seconds,a measurement error of less than 3.5%,and has extremely strong response ability.Key words:cloud computing；ultrasonic flow rate；sensitive components；piezoelectric ceramics；flow sensor1 引言随着当前工业体系的大规模发展，许多高新科学技术逐渐应用到化工行业领域中。许多工业生产需要对液体材料进行流量监测，因此工业流量计的研发，需根据各领域工业生产需求不断革新。但当前普遍应用的插入式超声波传感器在使用过程中仍存在一些缺陷，比如，传感器之间需要通过定位杆对齐校正，实现发收换能器准确对齐，因此要在传感换能器管线处倾斜打孔，增加安装操作难度。将超声传感器插入杆推进管道内时，螺纹结构的插入杆无法同步满足深度与方向的要求标准，存在一定的误差，且传感器响应时间较长。国内现有的超声波流量传感器产品中接液层采用绝缘陶瓷或聚砜作为接液材质，接液层与流量器外壳之间采用胶水来承压密封，缺乏长期测量稳定性1。为了解决上述技术问题，本文提供了一种基于云计算的可拆装插入式超声波流量传感器，在传感器底部做倾斜设计，实现垂直插入用户管道，保证了流量传感器的安全性与稳定性，优化敏感元件与计算机系统的连接结构，同时利用云计算技术有效提高传感器测量精准度。2 基于云计算的超声波流量传感器结构设计2.1 超声波流量传感器硬件结构研究的实用新型基于云计算的超声波流量传感器，是一种可在线拆装插入式超声波流量传感器，主要硬件组成部件包括换能器、换能器插入杆、插入杆 121应用研究模具制造 2023年第11期定位座、球阀、焊接底座。其部件结构优化组成情况如下。其一，换能器底面设计为倾斜的斜面，将超声波换能器固定在换能器插入杆底部，焊接底座上设有第一通孔，球阀底部与焊接底座固定连接，将球阀的出口与第一通孔连通；其二，在传感器插入杆定位座上设有第二通孔，球阀顶部与插入杆定位座固定连接，使球阀的进口与第二通孔连通，使换能器位于球阀内，并确保超声波换能器可伸出第一通孔，插入杆穿过第二通孔，并在插入杆定位座上设置锁紧机构；其三，在监测管道上开孔，将焊接底盘与管道焊接一体，确保位置准确后，对准底座上的第一通孔与管道上的开孔。打开球阀，将换能器插入杆推动换能器至要求位置，使换能器底部伸出第一通孔，旋转换能器插入杆调整换能器底面的朝向，换能器底面的朝向调整到位后锁紧。其四，换能器壳体底面设有接液层，壳体内设有耦合层、压电陶瓷、背衬、吸收层，电压陶瓷位于接液层上方且通过耦合层与接液层粘结，背衬设置在压电陶瓷上方且紧贴压电陶瓷，吸收层设置在背衬上方且紧贴背衬，接液层与壳体焊接后内部灌封固化胶。其五，可拆卸插入式超声波传感器底部采用的倾斜设计，控制倾斜角度为33.5，可以有效减少液体测量管道中超声波散热回响现象，将敏感元件的两片压电陶瓷紧贴在监测线路正负极，确保超声波传感器壳体密封，外部密封壳使用硅橡胶材质，具有高阻抗高衰减的吸声作用，能够有效减少干扰声波信号影响，在外部包裹铝合金外壳，留有信号接收传播电缆孔洞，可以屏蔽外部噪声对信号传输的干扰2。2.2 基于云计算的波流量器敏感元件设计敏感元件是超声波进行信号感应与发送的关键物理量元件，是超声波流量传感器的核心组成部分。当前应用于流量检测的超声波传感器敏感元件一般为压电陶瓷，也就是流量传感器硬件组成结构中，位于接液层上方与背衬下方的关键测量元件。压电陶瓷材质更具稳定性，且反应灵敏度高，耐高温耐磨损，元素特性温和稳定，便于加工，能够良好地满足超声波流量传感器高频率信号发射与接收功能需求。敏感元件的参数设计，主要根据需要测量的目标液体特性进行参数调整。采用多普勒测量方式计算分析传感器的工作频率，根据测量液体中超声波散射波长，与液体含有固体颗粒尺寸大小，分析评价超声波散射回波与接收信号性能。超声波在液体内部传播时，接触到固体颗粒会产生反射作用，根据反射回波频率与穿透深度，控制超声波传感器工作频率为640kHz。根据传感器输出电压和超声波分贝，可以计算敏感元件信号接收灵敏度，可根据实验环境干扰信号大小调整灵敏值，为提高传感器信号监测传输精准度，灵敏度设计需要确保超声波传感器信噪比大于18dB3。3 基于云计算的超声波流量传感器工作流程基于云计算的超声波流量传感器采用收发一体式结构设计，基于上述传感器硬件结构进行组装，并使敏感元件与计算机控制系统相连接，确保监测信号可以及时发送到计算机数据接收中心，敏感元件与计算机系统安装连接步骤如下。其一，敏感元件压电陶瓷表面设有正极焊盘和负极焊盘，正极焊盘与正极引线相连接，负极焊盘与负极引线相连接；其二，陶瓷背衬上设有与正极焊盘对应的正极引线穿线孔、与负极焊盘对应的负极引线穿线孔，在正极引线穿线孔和负极引线穿线孔中填充满吸波粉；其三，传感器吸收层包括空腔以及填充满空腔的吸波粉，正极引线依次穿过正极引线穿线孔、吸收层伸出壳体，负极引线依次穿过负极引线穿线孔、吸收层伸出壳体。其四，正极引线穿线孔、负极引线穿线孔内填充吸波粉后灌胶，加强引线导管与吸收层的密封性能，使正极引线、负极引线通过焊锡与压电陶瓷连接更安全稳定。将超声波传感器放置于测量流体管道中，超声波换能器发射超声波信号，使压电陶瓷元件产生具有一定规律的振动形变，将超声波反射到另一个超声波换能器，形成一个电波信号，实现超声波信号接收与能量置换。在信号转换过程中会产生正压电效应和逆压电效应，当敏感元件受力发生形变时，两端会产生极化现象释放相反电荷，当外力消失后，敏感元件恢复成正常状态，同时释放电荷极性也会相互逆转，还原成之前的状态4。而在信号波作用关系产生时，计算机系统会实时监测压电陶瓷所受的作用力与释放的电荷数据，通过超声波流量检测器工作电压，电容与电荷量参数，利用大数据云计算技术能够直接计算出信号波压力系数，精准测量每一道信号波的作用时间，对超声波信号测量的流体响应时间差进行计算分析。4 实验研究为了检验新型基于云计算的超声波流量传感器工作性能，选用适当液体样本进行实践测量，检验结构优化后的超声波流量传感器在流体管道中，发射与接收超声波信号的响应时间差，测量同一液体在不同 122应用研究模具制造 2023年第11期流速下，信号波接收时间差数据大小。实验平台搭建如图1所示。51234图1 超声波流量传感器实验装置示意图如图1所示，组件1是液体储存桶，内部灌满1:5比例混合的原油和水。组件2是推动液体流动的系统循环泵，可以设置固定的循环速度，控制液体流速。组件3是液体流动的主要管道，超声波流量传感器如图中的组件4，就安装在流体循环导管中。组件5是云计算监测实验设备，与超声波流量传感器相连接，负责接收处理超声波信号数据。将配置好的混合液体放入液体储存桶中，开启流体循环泵，模拟流体循环流动，连接超声波流量传感器电源，对循环管道内部液体流动速度进行监测。同时传感器监测所得信号，通过敏感元件与收发线路发送到计算机数据处理程序中，超声波探测信号在系统界面显示情况如图2所示。图2 超声波信号收发波形图监测结果显示，超声波流量监测传感器信号发射与接收时间不超过0.01s，由此可见传感器响应能力很强。计算机根据超声波信号响应时间计算管道内流体流动速度，并与实验操作循环泵控制流速实际数据相对比，得到测量误差结果如表1所示。表1 超声波流量传感器测量误差时间差/s0.0070.0050.0070.0100.009实际流量（m3/h）2.3123.5264.3755.4176.129测量流量（m3/h）2.4603.5524.4975.6246.301测量误差/%2.911.822.133.112.79根据表1中的实验结果可知，各监测时间节点的超声波信号发送与接收时间差值均不超过0.01s，总体流量测量误差不超过3.5%，能够很好地满足当前工业生产对流量传感器的要求标准。根据具体时间节点数据来看，当收发信号响应时间差为0.005s时，实际流量与超声波传感器监测流量测量误差为1.82%，随着时间差增加到0.01s时，实际流量与监测数据的测量误差为3.11%，超声波信号收发时间差越短，流体测量误差值越小。由此可见，研究的基于云计算的超声波流量传感器流量测量误差基本保持在一个较低的水平，体现结构优化后的传感器具有良好的响应性能，传感能力更强，超声波信号检测结果更准确，并利用云计算技术有效提高了超声波信号流量监测结果的精准度。5 结束语针对目前提出的超声波流量传感器传感能力差，响应时间长等问题，研究了一种基于云计算的超声波流量传感器，得出以下结论：通过倾斜底座设计与传感器连接密封设计，使超声波传感器能够垂直进入液体测量管道内，增加流量测量稳定性。调整敏感元件参数，利用多普勒测量方式精准计算传感器工作频率与灵敏度，可以有效增强信号响应效率。通过实验证明，基于云计算的超声波信号流量传感器信号响应时间短，测量误差较低，具有良好的感应性能与测量可靠性。参 考 文 献1冯旭东,杨潇楠,姜雪等.复合管道超声波流量传感器设计J.电子制作,2021,(14):362金天贺,胡志臣,胡志伟.便携无损式超声波流量测试系统设计与验证J.计算机测量与控制,2021,29(10):7113马建,李泽芳,张德胜.基于超声波时差法的管道流量测定仪设计J.工矿自动化,2021,47(02):93974郑高原.基于物联网的高精度超声波气体流量监测系统设计J.仪表技术与传感器,2021,(02):6570第一作者简介：刘晨凯，男，1992年1月生，汉族，浙江义乌人，本科，工程师，研究方向：流量仪表机械设计。（收稿日期：2023-08-15）DMM 123