CN110346001B - 紧凑型超声流量计 - Google Patents

Abstract

用于测量流量和其他流体相关数据的紧凑型超声流量计，包括：流动管，其具有流动孔、用于使流体流经入口与出口之间；与流动管相关联的流量计壳体；印刷电路板，印刷电路板布置在流量计壳体中并包括用于控制流量计操作的处理器；仪表电路，仪表电路包括设置在印刷电路板上的两个或多个超声换能器、并被配置用于操作超声换能器来发射和接收穿过流体的超声波包；显示器，显示器安装在印刷电路板上并被配置用于显示测得的流量和其他流体相关数据；和一个或多个电池组，一个或多个电池组用于对至少包括处理器、仪表电路、和显示器在内的流量计操作供电；其中，处理器和超声换能器被表面式安装在印刷电路板的下侧，并且显示器被安装在印刷电路板的上侧。

Description

紧凑型超声流量计

技术领域

本发明涉及用于测量流量和其他流体相关数据的超声流量计，流量计包括流动管和流量计壳体，该流量计壳体包含多个流量计部件，这些流量计部件包括在一侧上具有表面部件的印刷电路板。

背景技术

电子流量计或稳态流量计、例如超声流量计，正越来越多地用作测量用水量的公用事业仪表。与传统的机械流量计相比，超声流量计提供了没有移动零件的优点。另一个优点是超声流量计的电子性质。由于超声流量计包括用于对测量电路供电的电源、通常为电池，因此还可以集成用于进行外部通信的无线电通信装置。另外，超声流量计通常包括机上处理的能力，从而在仪表中可实现数据处理。

随着人们越来越关注环境问题，包括水资源短缺，水计量正在增加，从而在全球范围内产生更多的计量点。此外，传感器技术和数据处理方面的进步使得能够收集新类型的数据并将这些数据用于新的目的，比如泄漏检测、水质评定等，而不仅仅是用水量。

随着计量点的数量增加，水表的可制造性成为重要因素，并且甚至微小的改进也可能对计量基础设施(包括数十万个仪表)的总成本产生显著影响。因此，一种改进的更紧凑的且制造友好的超声流量计将是有利的。

发明目的

本发明的目的是完全地或部分地克服现有技术的缺陷和缺点。更确切地，目的是提供一种紧凑型且制造友好的超声流量计。

发明内容

因此，上述目的和几个其他目的旨在从本发明的第一实施例、通过提供一种用于测量流量和其他流体相关数据的紧凑型超声流量计而达到，该紧凑型超声流量计包括：流动管，该流动管具有流动孔、用于使流体流经入口与出口之间；与该流动管相关联的流量计壳体；印刷电路板，该印刷电路板布置在该流量计壳体中并且包括用于控制该流量计的操作的处理器；仪表电路，该仪表电路包括被设置在该印刷电路板上的两个或更多个超声换能器、并且被配置用于操作这些超声换能器来发射和接收穿过该流体的超声波包；显示器，该显示器安装在该印刷电路板上并且被配置用于显示测得的流量和其他流体相关数据；以及一个或多个电池组，该一个或多个电池组用于对至少包括该处理器、该仪表电路、以及该显示器在内的流量计操作供电；其中，该处理器和这些超声换能器被表面式安装在该印刷电路板的下侧上，并且该显示器被安装在该印刷电路板的上侧上。

通过在该印刷电路板的一侧上布置表面安装式装置并且在相反侧上布置通孔部件，可以实现高效且可靠的制造过程。另外，通过将与流量计核心功能相关联的电子部件装配到一个印刷电路板上，可实现紧凑型超声流量计。

在一个实施例中，该流量计壳体可以与该流动管成一体，例如通过铸造成完全集成的整体式部件。该紧凑型超声流量计的实施例还可以设有单一印刷电路板，其中，该处理器和这些超声换能器被表面式安装在该单一印刷电路板的下侧上，并且该显示器被安装在该单一印刷电路板的上侧上。

通过将该流量计壳体与该流动管成一体并且将所有电路和电子部件装配到单一印刷电路板上，实现了一种非常紧凑的且制造友好的超声流量计。

该超声流量计可以进一步包括前板，该前板设有开口以接纳显示器，并且该前板可以被布置成与该显示器齐平，例如高于该印刷电路板10-40mm。由此，保持该超声流量计紧凑。

另外，该前板可以基本上覆盖该印刷电路板。由此，该印刷电路板被该前板遮挡并保护。上文所描述的超声流量计还可以包括布置在该印刷电路板的顶部上的容器，其中该容器设有用于接纳该显示器的贯通开口173、并且被配置用于保护该印刷电路板以及安装在其上的其他部件。

此外，该超声流量计可以包括安装在该印刷电路板上的无线电通信装置，其中，该无线电通信装置经由无线电电路电联接至天线元件，并且该天线元件安装在该容器上并且可释放地联接至该无线电电路。在此，该天线元件可以安装在该容器的侧面上。

另外，该无线电通信装置可以被配置用于检测它是否电连接至该天线元件，并且该处理器可以被配置用于基于来自该无线电通信装置的输入来确定该容器已经被升高到该印刷电路板上方、与该天线元件的电连接已经断开。

基于对该天线元件的检测来确定该容器是否被升高的能力可以提供篡改检测功能，因为该容器和前板遮挡并保护包含计量电路的印刷电路板。

进一步，该天线元件可以经由设置在该印刷电路板和/或该天线元件上的连接器连接至该无线电电路。并且，这些连接器和/或连接器配合表面可以沿着该印刷电路板的外周布置在该印刷电路板上、对应于该天线元件在该容器上的位置。此类连接器可以例如是弹簧接触连接器类型。

另外，该前板可以构成该容器的盖子，并且该容器可以包含干燥剂。

另外，这些超声换能器可以定位在该流动管的外表面上所设置的换能器区域上、或者定位在安装于流动管上的单独流量计壳体的底部的上表面上。

在上文所描述的紧凑型超声流量计的一个实施例中，可以在该印刷电路板上、与这些换能器相反地布置多个背衬装置，以用于提供将这些换能器的下侧压靠在这些换能器区域上、即该流动管上的保持力。这样的背衬装置可以安装在该印刷电路板的顶部上，以对该印刷电路板的包含这些超声换能器的区域施加保持力。这些背衬装置可以包括抵靠该换能器和/或该印刷电路板的背衬元件、以及被配置用于提供该保持力的受约束的弹性构件。另外，该背衬装置可以包括支架元件，该支架元件被布置用于可移位地接纳该背衬元件和该弹性构件，该弹性构件呈螺旋弹簧的形式、被固位在该支架元件与该背衬元件之间。另外，这些超声换能器的下侧可以通过非硬化性粘合剂(比如含丁基的粘合剂)来固定至换能器区域上。

另外，这些超声换能器可以安装在该印刷电路板中设置的凸台上，这些凸台经由该印刷电路板的含有铜质迹线的舌片而与印刷电路板其余部分相连，以将这些超声换能器电连接至其余的仪表电路。这样的设计为该设计提供了一定弹性并且允许朝向流动管进行有限的换能器移位。

另外，该超声流量计可以是用于计量用水量的公用事业仪表、或用于计量制热或制冷仪表设施中的流体流量的公用事业仪表。上文所描述的超声流量计还可以另外包括温度探头，以用于测量流经流动管的流体的温度。

此外，该超声流量计可以被配置为包括用于存储仪表数据(比如，流量数据、体积数据和/或用量数据)的寄存器。该超声流量计还可以存储其他仪表数据，例如与仪表的操作相关的事件数据或性能数据、或与连接至该仪表上的其他传感器(内部或外部)相关的数据。

上文所描述的实施例各自可以与任何其他实施例相组合。参考下文描述的实施例，这些和其他实施例将变得清楚并得以阐明。

附图说明

现在参照附图来更详细地描述根据本发明的紧凑型超声流量计。图中示出了实现本发明的一种方式、并且不应被解释为局限于落入所附权利要求的范围内的其他可能的实施例。

图1a示出了紧凑型超声流量计，

图1b示出了超声流量计的横向截面，

图1c示出了超声流量计的纵向截面，

图2示出了紧凑型超声流量计，其中流量计壳体打开，

图3a示出了紧凑型超声流量计的内部，

图3b示出了紧凑型超声流量计的内部的纵向截面，

图4示出了紧凑型超声流量计的印刷电路板，

图5示出了包括前板的干燥剂容器，

图6示出了没有前板的干燥剂容器，

图7示出了紧凑型超声流量计的印刷电路板的上侧，

图8示出了紧凑型超声流量计的印刷电路板的下侧，并且

图9示出了换能器背衬装置的截面。

具体实施方式

图1a、图1b和图1c展示了根据本发明的一个实施例的紧凑型超声流量计1。该流量计包括流动管11，该流动管具有流动孔111、用于使流体流经入口112与出口113之间。流量计壳体12被形成为该流动管的一体部分，由此为布置在该流动管处的、用于测量在该流动孔中流动的流体的流量的仪表部件提供隔室。该流量计壳体被盖子121关闭，该盖子由锁定环122和透明覆盖元件124构成。在该盖子与该流量计壳体之间布置了密封元件123以提供气密性密封。

在该流量计壳体内部，布置了印刷电路板(PCB)13，该印刷电路板包括用于控制该流量计的操作的处理器135。该PCB进一步包括安装在其下侧131上的仪表电路(未示出)以及两个超声换能器14。该超声换能器的下侧141与连接至PCB的上侧相反、被布置成抵靠流动管11的外表面。该仪表电路被配置用于操作这些超声换能器来发射和接收穿过该流动管和该流动孔中存在的流体的超声波包。在PCB的上侧132上安装了显示器15，该显示器被配置用于显示测得的流量和其他流体相关数据。在PCB的上侧上还设置了被配置用于进行红外通信的插座式连接器155以及一组二极管156。

参照图7和图8，PCB的下侧包含表面安装式装置(SMD)，比如压电超声换能器14和处理器135，并且该PCB的上侧包含通过选择性焊接工艺安装的通孔部件。这些上侧部件(包括显示器在内)设有多个引脚151，这些引脚布置在该印刷电路板的通孔中并且选择性地焊接在PCB的下侧上。通过仅在一侧上安装SMD，可以实现高效且可靠的制造过程。另外，通过将这些通孔部件安装在上侧132上并且将其焊接在下侧上，可以进一步改进该制造过程。然而，与这些通孔部件相关联的选择性焊接工艺要求在SMD与PCB的使用了选择性焊接的区域之间具有一定间距。

图1a至图1c所示的流量计进一步包括两个电池组16，用于对包括处理器、仪表电路和显示器在内的流量计操作供电。在替代性实施例中，还可以使用更少或更多电池组。为了实现适合于自动化批量生产的紧凑且方便的设计，电池组通过电池引脚161直接安装在PCB上，这些电池引脚延伸穿过PCB中的电镀通孔136，如图3b和图4所示。这些电池引脚是在插入电镀通孔中时变形的顺应性引脚。这些电池引脚的变形确保了引脚与PCB铜质迹线之间的必要电接触、并将电池组件固定至PCB上。在所示的实施例中，电池单元162被安装在包括电池引脚的电池固持器163中。然而，在替代性实施例中，电池引脚可以例如通过焊接直接紧固至电池单元的两极。每个电池固持器包括刚性元件164，该刚性元件在相反两端处设有两个电池引脚。电池单元可以紧固在这些引脚之间作为子组件、随后可以安装在PCB上。

从图1中看到，电池组安装在PCB的下侧上、并且沿流量计的纵向方向沿着流动管延伸。在PCB安装在壳体中的情况下，电池组布置在流动管的相反两侧，从而提供紧凑型设计。通过将电池布置在PCB下方，充分利用了该壳体内的空间。进一步，这些电池被支撑在该壳体的底面上，由此将电池引脚维持在电镀通孔136中。

该超声流量计进一步包括安装在印刷电路板的下侧上的无线电通信装置18。该无线电通信装置连接至实施在PCB上的无线电电路。经由该无线电电路，该通信装置电联接至天线元件181，如下文进一步解释的。该无线电通信装置用于经由射频通信来将仪表数据发射至后端或前端系统(HES)，仪表数据被存储在其中并被处理，例如以实现计费。该无线电通信装置可以在流量计与前端系统之间提供单向和双向通信两者。自动读表(AMR)高级仪表基础设施(AMI)系统对于与公用事业仪表进行通信是普遍已知的。在AMI中，经由多个中间网络装置(比如数据收集器、中继器、路由器网关等)在公用事业仪表与HES之间建立通信路径。公用事业仪表可以将由该仪表或连接至其上的外部传感器获得的任何数据传送至HES，但是AMI的容量和公用事业仪表M的电池容量将限制可以传输的数据量。AMI可以使用任何适合的技术来将数据通过一个或多个局域网或广域网(包括与开放互联网的连接)从公用事业仪表载送至HES。AMI可以使用任何适合的无线技术(例如，无线M-Bus、窄带IoT、SigFox、任何蜂窝技术或专有通信协议)或任何有线通信技术(例如，有线M-Bus、LON、以太网)。

仍然参照图1a至图1c，在PCB的顶部设置有容器17。该容器包括用于容纳干燥剂的隔室，并且前板171构成该容器的盖子，如从图5和图6中看到。干燥剂确保渗透到流量计壳体中的水分(例如穿透其壁的水分子)被吸收、并且因此不会对布置在该壳体中的部件产生不利影响。该容器进一步用于保护或遮挡PCB和安装在其上的部件。如图所示，仅显示器和二极管是可见的，因为它们被接纳在该容器和前板中所设置的贯通开口172、173中。在替代性实施例中，该容器中的开口中不能接纳任何部件或仅可以接纳显示器。

如图3a和图5所示，该容器进一步包括安装在其圆周侧面上的天线元件181。在所示的实施例中，该天线元件是导电材料片，例如冲压出的金属片，其形状符合该容器的外轮廓。在替代性实施例中，该天线元件可以是直接沉积在容器侧面上的贴片天线或迹线。天线元件181经由连接器183连接至PCB上的无线电电路。这些连接器与布置在PCB上的连接器配合表面184接合，如图4所示。

因此，该容器和天线元件构成独立的子组件，该子组件可以在流量计的最终组装期间制造并安装在壳体中。将该容器布置在PCB的顶部上起到了保护PCB和安装在其上的部件的作用。进一步，由于容器被设计为包绕从PCB伸出的部件，因此实现了紧凑型设计。并且，该容器用于将前板定位成高于印刷电路板10-40mm。

该无线电通信装置被配置用于检测在天线元件及其连接器183与无线电电路之间是否存在电连接。基于来自无线电通信装置的输入，处理器135因此可以确定天线元件是否连接至无线电电路。基于这种确定，该处理器可以确定该容器(包括天线元件)是否正确地安装在PCB的顶部上，或该容器是否已经被升高到PCB上方。升高该容器，即断开天线元件，可以指示对仪表电子器件的篡改事件或其他未授权访问。如果处理器确定天线已经断开，则处理器可以将该事件存储在流量计的记录器中并且经由无线电通信装置来完成发出警报或指示已经发生潜在篡改事件的其他信息。因此，该容器子组件还用作篡改检测元件，该篡改检测元件被设计用于保护仪表电子器件并针对可能的篡改进行报警。

如上文参照图1c所描述的，超声换能器的下侧141被布置成抵靠流动管11的外表面。流动管的接纳这些换能器的区域可以是专用换能器区域，其中可以控制流动管的厚度以匹配这些换能器的特征。在流量计壳体由安装在流动管上的单独实体(未示出)构成的替代性实施例中，这些换能器可以布置成抵靠在流量计壳体的底部的上表面或内表面上设置的换能器区域上，该换能器区域被布置成与流动管中的流动介质接触、即构成流动管的一部分。

参考图2和图4，在PCB上与换能器相反地布置了多个背衬装置19。这些背衬装置被布置用于向PCB的包含超声换能器的区域提供保持力，由此将换能器的下侧压靠在换能器区域、即流动管上。在图2中，仅示出了两个背衬装置中的一个，以展示这些背衬装置如何安装在从流动管延伸并与之成一体的安装结构125上。通过将背衬装置直接安装至流动管上，可以获得足够的保持力来将这些换能器保持在位而持续该仪表的寿命持续时间。每个背衬装置包括紧固至这些安装结构上的支架元件192、和可在该支架元件的孔中移动的弹簧偏置背衬元件191。螺旋弹簧193被固位在该支架元件与该背衬元件之间，以提供该保持力。在所示的实施例中，该支架元件通过螺钉紧固至流动管上，但也可以使用其他紧固器件、比如卡扣机构等。

替代性地，这些背衬装置可以由固定至该安装结构的弹性构件和抵靠该印刷电路板的相关联背衬元件构成。该弹性构件可以是板簧或具有一定弹性的聚合物或橡胶材料片。

另外，这些超声换能器的下侧通过非硬化性粘合剂(比如含丁基的粘合剂)来固定至换能器区域上。该粘合剂将换能器连接至流动管上，由此改善换能器与流动孔中的流体之间的振动传递。背衬装置和非硬化性粘合剂的组合使用确保了耐用的构造，其中换能器与流动管之间的充分接触被维持延长的操作时间。换能器与流体之间的良好振动传递或信号传递对于信号质量很重要，并且因此可能影响流量测量。

如图7和图8所示，超声换能器还可以安装在被设置在印刷电路板中的可移位凸台133上。这些凸台经由PCB的提供一定弹性的舌片134与印刷电路板其余部分相连。因此，PCB的包含换能器的这部分可以朝向流动管移位，以确保流动管与换能器之间的良好接触。这些舌片提供的弹性还将PCB的其余部分与换能器的振动隔离开。此外，在PCB舌片上设置铜质迹线以将换能器连接至其余的仪表电路。

虽然已经结合特定实施例描述了本发明，但不应被解释为以任何方式局限于所给出的实例。本发明的范围由所附权利要求书阐述。在权利要求的背景中，术语“包含”或“包括”不排除其他可能的元素或步骤。此外，提及例如“一个”或“一种”等不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所示元件使用的附图标记也不应被解释为限制本发明的范围。另外，可以有利地组合在不同权利要求中提及的各个特征，并且在不同权利要求中提及这些特征并不排除：特征的组合是不可能和有利的。

Claims (12)

1.一种用于测量流量和其他流体相关数据的紧凑型超声流量计（1），包括：

- 流动管（11），该流动管具有流动孔（111）、用于使流体流经入口（112）与出口（113）之间；

- 与该流动管相关联的流量计壳体（12）；

- 仅一个印刷电路板（13），该印刷电路板布置在该流量计壳体中并且包括用于控制该流量计的操作的处理器（135）；

- 仪表电路，该仪表电路包括设置在该印刷电路板上的两个或更多个超声换能器（14）、并且被配置用于操作这些超声换能器来发射和接收穿过该流体的超声波包；

- 显示器（15），该显示器安装在该印刷电路板上并且被配置用于显示测得的流量和其他流体相关数据；

- 一个或多个电池组，该一个或多个电池组用于对至少包括该处理器、该仪表电路、以及该显示器在内的流量计操作供电；

其特征在于，该处理器和这些超声换能器被表面式安装在该印刷电路板的下侧（131）上，并且该显示器被安装在该印刷电路板的上侧（132）上，所述超声流量计进一步包括容器（17），该容器具有用于容纳干燥剂的隔室，所述容器布置在该印刷电路板（13）的顶部上，该容器设有用于接纳该显示器（15）的贯通开口（173）、并且被配置用于保护该印刷电路板以及被布置在该流量计壳体中的其他部件。

2.根据权利要求1所述的紧凑型超声流量计，包括单一印刷电路板（13），并且其中，该流量计壳体（12）与该流动管（11）成一体。

3.根据权利要求1或2所述的紧凑型超声流量计，进一步包括前板（171），该前板为该容器（17）提供盖子，其中，该前板设有开口（172）以接纳显示器（15），并且该前板被布置成与该显示器齐平。

4.根据权利要求2所述的紧凑型超声流量计，进一步包括安装在该印刷电路板上的无线电通信装置（18），该无线电通信装置经由无线电电路电联接至天线元件（181），其中，该天线元件安装在该容器上并且可释放地联接至该无线电电路。

5.根据权利要求4所述的紧凑型超声流量计，其中，该无线电通信装置被配置用于检测它是否电连接至该天线元件（181），并且该处理器（135）被配置用于基于来自该无线电通信装置的输入来确定该容器已经被升高到该印刷电路板上方、与该天线元件的电连接已经断开。

6.根据权利要求4或5所述的紧凑型超声流量计，其中，该天线元件（181）经由设置在该印刷电路板和/或该天线元件上的连接器（183）连接至该无线电电路。

7.根据权利要求6所述的紧凑型超声流量计，其中，这些连接器和/或连接器配合表面（184）沿着该印刷电路板的外周布置在该印刷电路板上、对应于该天线元件在该容器上的位置。

8.根据权利要求4或5所述的紧凑型超声流量计，其中，天线元件（181）安装在该容器的侧面上。

9.根据权利要求1或2所述的紧凑型超声流量计，进一步包括多个背衬装置（19），这些背衬装置被布置成对这些换能器中的每一个换能器提供保持力，以迫使这些换能器的下侧抵靠换能器区域。

10.根据权利要求9所述的紧凑型超声流量计，其中，这些背衬装置安装在该印刷电路板的顶部上，以对该印刷电路板的包含这些超声换能器的区域施加保持力。

11.根据权利要求9所述的紧凑型超声流量计，其中，这些背衬装置中的每一个背衬装置包括抵靠该换能器和/或该印刷电路板的背衬元件（191）、以及被配置用于提供该保持力的受约束的弹性构件。

12.根据权利要求11所述的紧凑型超声流量计，其中，这些背衬装置中的每一个背衬装置包括支架元件（192），该支架元件被布置用于可移位地接纳该背衬元件和该弹性构件，该弹性构件呈螺旋弹簧的形式、被固位在该支架元件与该背衬元件之间。