一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表制造技术

本发明专利技术隶属流量计量设备技术领域，具体为一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表，旨在解决现有大口径超声波立柱式换能器安装结构的水表因换能器安装柱粗、安装位置不妥等因素，导致水表流道内壁有较大损伤，产生紊流导致水表小流量精度低，致使水表计量量程降低，以及与超声波水表技术导则之间存在的差距。本发明专利技术采取换能器安装柱非流道的定位布局、换能器与换能器安装柱间的优化安全密封方式；等径结构的换能器与换能器安装柱的优化适配；立柱式换能器分层布局的多声道结构；根据理论，调整对射换能器在管壁上所开的声道尺寸；以焊接方式形成流量计管体代替铸造方式；使本发明专利技术的水表计量精度和量程比显著提升。使本发明专利技术的水表计量精度和量程比显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表


[0001]本专利技术隶属流量计量设备的
，具体涉及一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表。

技术介绍

在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，对于工业及民生水、热、燃气供给计量领域，由全电子模式流量计逐步取代机械式或机电组合模式流量计，已成不可逆转的大趋势。
[0002]按照实际应用所需，流体计量行业或场合期待兼容各口径规格范围、低压损、高精度、高可靠性、无磨损器件、耐久性及经济性的标准流量计量器具。目前，在世界范围内全电子流量计量应用最广的为电磁流量计以及后起之秀的超声波流量计。
[0003]超声波流量计是伴随其时差计时芯片（2012～2017年，国际上AMS、D
‑
FLOW、TI等公司先后推出了较先进的时差计时芯片，目前，其分辨率都已达到5～10ps，完全满足了水计量应用需求）的技术突破而崛起的。对比电磁流量计，超声波流量计是通过时差数字信号进行采样的（而电磁流量计则是通过模拟信号采样的）。以水表为例，它具有突出的技术优势：更小的始动流量（如可测量流速0.8～1mm/s的液体）、更宽的量程比、能以声波主动测量过程时差、换算成流体流速及温度并同步对计量的体积变化进行补偿（对此，电磁流量计则需要安装温度计）、大口径多声道的测量具有更高精度及安全性（而电磁流量计只有一对线圈和相应电极，有线圈故障即得报废）、可测量各种低粘度液体（电磁流量计不能测量低电导率液体，如纯净水），另外，对于燃气等气体亦可测量/计量（电磁流量计则不能测量气体流量）。
[0004]超声波水表升级改进的技术发展方向与原则需要明确界定。通常，流量计的性能指标为计量精度和量程比，计量精度为流量计流量计量值与流量实际值之比，提高流体流动稳定性和批量生产一致性是决定计量精度的重要条件；量程比为在流量计计量精度保证下，常用流量与最小流量之比，体现了可精确计量的范围，增大超声波换能器间的有效距离是提高量程比的必要条件。显然，计量精度越高、量程比越大，则流量计的计量性能就越好。
[0005]近几年，计量行业对于超声波流量计的实践应用有较大的提升。超声波流量计的构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器布局方式及流道结构等，前者性能决定着可测流量的最小量值，后者整体架构决定着超声波流量计的综合性能和品质。以水表为例，特别是按照水表新标准的约束，业内明确了超声波水表的技术发展方向，其技术导则归纳为如下十条：（1）声程最大化原则：为使超声波水表具有大的量程比，对于大口径流量计，特别是水表，应采用超声波换能器之间声程最大化模式。因为对水表而言，大量程比是贸易结算极其重要的指标，也是水表最主要的技术指标，这点与工业流量计截然不同。例如，某生产厂，白天生产时间的用水量是夜晚用水量的500倍，如果流量计量程比低（比如量程比=200），那么，要兼顾白天大流量段的计量，就必然舍去对夜间小流量用水量段的计量。换句
话说，流量计可能在小流量情况下无法计量或计量误差很大（精度值偏负，如目前旋翼式机械水表），这就必然造成供水方计量损失。要使得超声波水表具有大量程比，做到公平贸易结算，就应将超声波水表的两个换能器间距连线在主管内水流方向的投影距离最大化，以获得较大的量程比及较小的始动流量，（对于水表，中国国标于2018年将量程比或流量比的最大值提升至=1000）。
[0006]（2）换能器间对射式安装原则：对射式安装的声波信号由一对换能器间相互直接发、收，这样有效信号幅值就最强。大口径流量计尺寸较大，为了保障信号接收强度，换能器应选择对射式安装模式。在换能器声波反射式安装模式情况下，因有一个或数个反射面，声波反射传递有能量损耗（反射面足够大时，理想状态的反射面声能损耗10～20%，一般不至于影响计量），特别是当反射面有角度偏差或使用后结垢，其能量损失就可达40～60%，这将严重影响正常计量。所以，近几年，大口径流量计基本淘汰了换能器间声波反射收、发模式。
[0007]（3）多声道原则：为使大口径超声波水表具有高的计量精度和可靠性，大口径超声波流量计应采取多声道模式（即多组换能器）。这是因为，对射多声道换能器模式，除了能对流体在管道内不同层面进行分别计算，提高计量精度和准确性外，多声道还是计量可靠性的重要保障（电磁流量计的励磁线圈如果断路，流量计就会报废；而多声道超声波流量计，即便有一对或多对换能器损坏，只要保留一对工作，也能进行流量计量）。
[0008]（4）内管壁完整性原则：在尽量做到有效声程最大化的前提下，要取得量程比同步提升的必要条件是流量计流量管内壁的平顺与完整。即为提高超声波流量计的计量精度和减小流体阻力，应使流量计内管直通和保证内管壁完整性。当一对换能器的安装设置与水流方向成一角度时，因为要构建对射通道，所以流量计流道表面必须切割出声道，所以必然出现凹凸结构。如果斜度或面积较大，会产生流体流动紊乱，从而导致小流量的计量精度偏差较大（大、小流量都有影响，小流量受影响更为明显），按照量程比的定义（下文有详细描述），由于不稳定即误差较大时，只能通过将其值提高来换得它的稳定，这将导致上述比值减小，量程比会大幅降低，因此，在扩大一对换能器间声程的同时，必须解决不能严重损坏流道，才能保障有效量程比。另外，内壁损伤严重还会导致流量计的一致性差。
[0009]（5）先进制造工艺原则：为降低制造成本和方便制造，应采取优良制造工艺，使大口径超声波水表具有高的计量精度和一致性与可靠性。尽量不使用成本高、制造流程复杂、精度低的铸造工艺来加工生产流量计管段，而应采用拉伸或锻造成型的成品管段焊接、加工制造。因为用铸造工艺制造的管段，除了管壁较厚（薄管壁不易浇铸，容易有沙眼）成本高以外，其管内径一致性相差较大（有缩径时，内孔加工困难），这使得大口径的流量标定费工费时，每个流量计基表都要单独修正补偿。
[0010]（6）低压损原则：流量计通道尽量不要有较大的缩径，以减小流体流动的压力损失。为了克服声程短，即量程比低的劣势，目前许多斜插式流量计都要缩径，有些甚至将流量计流道做成扁腔，如专利授权公告号 CN 202083425 U，以提高相对流速（因为时差芯片所能计算的最小有效时差是定值，为了得到有效计算，当这一最小值达不到时，提高流速就能提高时差值），这样做的后果除了增大了流量计的压损以外，还会带来在常用流量或过载流量时，由于过度缩径造成流体局部流速过快，从而产生水白化现象（即少部分水
被流道汽化），其结果会导致流量计停止计量（含气水的声速会大幅降低，时差值产生紊乱），这就是为什么许多大口径超声波水在大流量情况下不能计量的原因。
[0011]（7）一致性原则；大口径流量计管体及换能器安装，即流道加工与换能器组件安装工艺须有高的精度和一致性（铸造管体无法做到高度一致性），它决定了流量计批量生产的品质，此项水平，决定流量计等级水平及在其标定时是否省时省力。
[0012]（8）管体密封安全原则：较大口径流量计，在解决管体密封时，若采用与管径相同较大尺寸的密封圈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表，其特征在于：包括法兰（11）及（12）、管体套管（21）、换能器柱安装座（22）及（23）、换能器安装柱（31）、换能器（32）、换能器引出线固定头（241），（251）和（313）及线管（41）和（42）、温度传感器固定座（25）、压力传感器固定座（24）、仪表电路盒（51）；大口径水表流量计的两个法兰（11）,（12）与流量计中间金属套管（21）间由激光焊接连接；换能器柱安装座（22）,（23）、压力传感器座（24）和温度传感器座（25）及仪表盒安装座（26）与金属套管（21）间都用激光焊接连接；将换能器安装柱（31）协同换能器32插入靠近法兰内侧的换能器柱安装座（22）及（23）内，在一个换能器安装柱（31）上，可安装一个或若干个换能器（32），与另一平行且在另外一侧斜对的换能器安装柱上对应的换能器构成一个或若干个超声波流速测量声道；其信号引出线通过金属管（41）通至仪表盒连接柱（26）后，导入电路仪表盒（51）内，协同压力传感器（244）及温度传感器（254），构成了立柱式换能器分层安装的多声道大口径超声波水表，在换能器安装柱尽可能的靠近法兰内侧的同时，改进后的管体流道消除了严重的凹凸损伤，管体套管（21）两侧安装的换能器柱，以及其上的成对换能器，均安置在管内流体的不同水平面上，由此，形成了立柱换能器分层对射模式，可实现多声道、多流层的流量测量；配合压力及温度传感器的数据采集，实现了一种立柱式换能器分层安装的多声道大口径超声波水表；达到了流量计流道通顺、始动流量值最小化、计量量程比最大化、量程范围内有很高的计量精度。2.如权利1所述一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表，其特征在于：所述换能器安装柱（31）安置于安装座（22）及（23）内，所述的安装座位于法兰内侧、管体套管外侧，以对称的形式排布；每一个安装座，安装一个换能器安装柱；换能器安装柱由上安装口插入，安装座上口端对换能器安装柱起到转动定位、压紧固定和密封等作用；下口端对换能器安装柱只起到密封和位置定位作用；进一步，上安装口内由两个半圆形槽(228)对准换能器安装柱端帽上对应的两个半圆形凸台（316），由此，对换能器安装柱（31）进行方向定位；柱上有轴向密封圈314及帽内侧槽里的密封圈（315）对换能器安装柱进行侧密封和压紧密封等两种不同方式的密封，有效保证了换能器安装柱的密封安全性；所述内六角外螺纹堵头（222），结合其下部的弹性垫圈（223），起到对换能器安装柱端帽（36）的压紧作用；所述外六角堵头盖（221）安装于内六角外螺纹堵头（222）的内六角腔内，用以防止内六角外螺纹柱被外人旋转及也起到美观效果；所述内六角外螺纹帽（225）及其下部延伸一体的套筒，安装于安装座下端口，其下有铜密封垫（224）用于硬密封；内六角外螺纹帽通过其下部延伸的套筒对换能器安装柱下端起到位置定位的作用；为了安全起见，可将所述内六角帽（225）与安装座（22）或（23）之间用激光点焊固定。3.如权利1所述一种立柱式换能器分层布局的多声道大口径超声波水表，其特征在于：对于四通道或更多通道的水表基表，换能器a、c在一个换能器安装柱上；换能器b、d在一个换能器安装柱上；而成对的a、b、c、d换能器把被测流体截面分为四层，使流量计量精度提高。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClG零一F一六六七，
申请(专利权)人：觉隆传感技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：