本发明专利技术隶属于流量计量设备的技术领域，具体为一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表，旨在解决现有各类超声波大口径水表在换能器的斜插模式下，其一对对射换能器的安装无法做到有效声程最大化即流量计量程比最大化的难题；本发明专利技术的技术方案为，提出了L形换能器并将L形换能器的密封固定端安置在法兰内，而将其功能端安置在内衬上的换能器对射孔中，构建了一种新的内衬结构，并在两法兰内采取多声道的超声波换能器布局结构，以此构成完整结构的超声波水表，做到了结构简单、成本低、性能高及安全可靠，实现了在给定长度给定管径下，超声波水表的量程比最大化、始动流量最小化和高精度的计量。高精度的计量。高精度的计量。
【技术实现步骤摘要】
一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表
[0001]本专利技术隶属流量计量设备的
，具体涉及一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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）。以超声波水表为例，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）。
[0005]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。
[0006]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，特别是超声波水表，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（计量精度值偏负，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。
[0007]有关超声波流量计的量程比与换能器间距的关系推导如下：在水计量领域，量程比定义为，其中，为对应某管径下的常用流量，它是一个给定值；为满足一定计量精度要求的最小流量（比如二级流量计的计量精度为
±
5%）。
[0008]以下本文经深入分析与推导，得出了一个重要的结论：对通过流量计管路内的流体而言，所计量的始动流量（即流量计可感知计量的最小流量）越低（对应其流速就越低，而与超声波流量计的时差芯片分辨率及流量计的管路结构有关），与此对应，也成比例地对应变低（即对应的最小流速就变低）。通常，在实际应用中，其经验值是（随超声波流量计电路及换能器产生总体零漂及流量计管路水阻设计不同而不同）。由此，可以导出在某个口径下（流过流量计管路的与所用的时间间隔相等），量程比与两换能器间距之间的关系为：上式中，为某口径流量计的常用流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，为满足一定计量精度要求的最小流量，为与相对应的流量计管路内流体的流速，对某口径流量计而言，和为常量(选定值)，为圆周率，为流量计管路的内半径，为计量用时，为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角（为锐角，当时，两换能器连线与水流方向一致，, 为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，令= ,为常数，而通过超声波流量计时差公式计算得出，即，因而，在具体计算时，按照代入。由上面的关系式可得出如下结论：增大两换能器间在流量计管路水流方向的投影距离，就可有效提高流量计的量程比（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）。
[0009]（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。
[0010]（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）。
[0011]（4）内管壁完整性原则：为提高超声波流量计的计量精度和减小流量计流道内的流体阻力，应使流量计流道的内管壁具有完整性。流量计流道表面因为安装换能器的原因而出现凹凸结构，会产生流体紊乱，从而导致小流量的计量精度偏差较大（流体紊乱流动对流量计大、小流量的计量都受影响，小流量受影响更大），导致流量计量程比低及流量计的一致性差。
[0012]（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。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表，其特征在于:包括由两部分（11a）、（11b）焊接形成的法兰（11）和（12）、管体金属套管（21）、L形换能器（32）、由两部分（61a）、（61b）镶嵌对接形成的内衬套管（61），内衬套管固定柱（66）、引出线固定头（42）、换能器引出线管（41）、温度传感器（63）、压力传感器（62）、仪表电路盒（51）等；所述流量计基表由两侧法兰（11）、（12）、金属套管（21）及内衬（61）组成；每一侧法兰又由对称的两半（11a）、（11b）后期焊接形成。2.如权利1所述一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表，其特征在于：所述法兰（11）、（12）在靠法兰孔外圈厚度为标准法兰，便于常规安装螺栓；为了安置换能器及压力/温度传感器，法兰内段（18）加厚；法兰内圈有内衬安装定位孔（16）、换能器安装孔（17）、压力传感器和温度传感器安装孔（15）；安装孔中心线与法兰半径同轴；定位孔（16）用于与内衬外侧的凸起定位柱（66）结合，对内衬与法兰间进行位置定位；进一步，法兰外侧有密封面（13），该密封面的一部分起到保护在管体内安装的内衬两端不外露的作用；法兰内侧，有对接金属套管的嵌入缺口（14），安装时，当金属套管嵌入该缺口后，可对法兰与金属套管进行激光焊接连接固定；法兰的内侧靠下端加宽约6～8mm,以便法兰内孔直径能满足安装温度及压力传感器；金属套管（21）嵌入法兰内侧对应的缺口（14）内，缺口的深度约为6～10mm；对称的两半法兰间、法兰与金属套管间，后期都采用激光焊接方法，形成流量计的基表管体。3.如权利1所述一种法兰换能器布局的大口径多声道超声波水表，其特征在于：所述金属套管（21）内安装有内衬（61），内衬与金属套管间不需要密封，内衬与法兰间通过内衬上的凸柱（66），插入法兰内侧对应的孔（16）内而达到定位；当内衬与法兰间定位固定完后，即可焊接法兰与金属套管之间的连接处（金属套管与法兰间有间隙，不做定位）；流量计基表的长度是由定位后的内衬长度和法兰厚度共同确定，两法兰密封面（13）内侧紧靠内衬的两端面；内衬上有若干对对射式换能器的通道孔（64）；内衬上还对称地留有压力传感器或温度传感器伸出孔（67），此孔与压力传感器（62）和温度传感器（63）在法兰上的安装孔（15）对应；所述筒状内衬（61）是由对称的两部分（61a）和（61b）合并形成，对接面上有凸、凹结构（65）镶嵌对接；筒状内衬上面有换能器方向定位孔（64）及压力/温度传感器伸出孔（67），两个半边组成的筒状内衬实现了模具及注塑方便加工；一对对应的换能器孔...
【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。